矿用低压防爆变频器的应用研究.docx

矿用低压防爆变频器的应用研究.docx

《矿用低压防爆变频器的应用研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《矿用低压防爆变频器的应用研究.docx（10页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

矿用低压防爆变频器的应用研究

矿用低压防爆变频器的应用研究

1　引言

    我们煤矿井下带式输送机、刮板输送机、风机、水泵、绞车的电气控制广泛使用隔爆型交流鼠笼电动机，由于控制方式简单，均为直接控制，对电机和机械传动装置造成很大的损害。

近几年，尽管可控硅交流降压调速技术得到了一些应用，但由于交流降压软起动自身起动特性较差，对电网的冲击大，对移动变电站的容量要求也大，使其使用场合受到一定限制。

    随着电气传动领域发生重大的技术变革，交流调速技术获得了飞速发展，变频控制方式克服了以上的问题，并具有良好的调速特性和节能效果。

变频器由初期的变压变频（VVVF）调速方案，到目前的矢量、直接转矩控制方案，使变频控制不仅具有稳态的控制特性，而且具有良好的动态性能，可以与直流调速系统相媲美，不仅解决了风机、泵类等负载的拖动，而且也解决了带式输送机、刮板输送机、绞车、提升机等低速大扭矩等场合的控制。

由于煤矿井下具有爆炸性气体的特殊环境，通用变频器不允许直接下井使用，因此，设计研制防爆变频器非常关键。

2　关键技术思考

（1） 电压等级

    低压通用变频器不论是国产的（包括国组装） ，还是进口的，一般电压等级为220V、380V，有些厂家如西门子公司生产的变频器可用于660V。

目前我国煤矿普遍使用的电压等级为660V、1140V，随着煤矿生产能力的不断提高，生产设备单机功率的不断增大，防爆变频器不仅需要大功率，其1140V工作电压尤为需要。

（2） 防爆散热

    通用变频器的散热一般采用风冷或水冷方式。

由于防爆要求，变频器的所有电子器件封于防爆壳体的主腔，风冷无法实现；水冷需要水循环系统和散热器，体积大安装和维护不方便，特别对于煤矿井下的工况环境条件，此种散热方式也不宜使用。

因此，防爆变频器的功率越大，防爆散热问题越突出，解决不好，将直接影响变频器的使用寿命和性能的稳定性。

    （3） 电磁兼容性

    变频器大多运行于恶劣的电磁环境，作为电力电子设备，部由功率器件、电子元器件及计算机芯片等组成，易受外界的一些电气干扰，其输入侧和输出侧的电压、电流含有不等的高次谐波，投入运行既要防止外界干扰它，又要防止它干扰外界，即所谓的电磁兼容性。

防爆变频器电磁兼容性问题解决的好坏，很大程度取决于变频调速传动系统以及外围设备运行的可靠性。

3　技术对策

（1） 功率器件的选择

    决定变频器电压等级的主要因素是主回路逆变电路的功率器件，主要是解决660V和1140V的电压等级的功率器件问题。

在低压交流电动机的传动控制中，应用最多的功率器件有GTO、GTR、IGBT和智能模块IPM，后两种是目前通用变频器中最广泛使用的主流功率器件。

特别是IGBT，其集射电压V ce < 3V，频率可达20kHz，含的集射极间超高速二极管Trr可达150ns，现在，采用沟道型栅极技术、非穿通技术大幅降低集电极- 发射极间饱和电压的第四代IGBT已问世，它的开关器件发热减少，将曾占主回路发热50%～70%的器件发热降低了30%，同时它是高载波控制，使输出电流波形有明显改善，驱动功率、体积都较以前减小。

应用此种功率器件使得防爆变频器的性能有了很大的提高，现国外已有耐压5000V、电流达1200A的IGBT，可以适用于煤矿井下1140V的系统。

因此，只要认真对相关的驱动控制电路进行技术攻关，就能解决防爆变频器的电压等级问题。

（2） 防爆散热的解

    煤矿防爆产品功率器件的散热是一大难题，变频器主回框路图见图1所示。

一般变频器的功耗为其容量的4% ～5% ， 其中逆变部分约占50% ，整流及直流回路约占40% ，控制及保护电路占10%左右。

因此，需要解决如何将逆变、整流回路高发热器件的热量迅速有效地通过防爆壳体散发出去，保证功率器件的正常工作温度，而热管散热器则是一种较为实用合理的技术途径。

    热管是一种传热性极好的人工构件，它利用“相变”传热的原理，与金属铜、铝等实体材料和天然传热方式完全不同。

其有效导热性是铜、铝等有色金属的成百、上千倍。

热管散热器就是利用热管技术对散热器进行改进而制作出来的新品，对于双面散热的分立电力电子器件，风冷的全铜或全铝散热器的热阻只能达到0.04 ℃/W，而热管散热器的热阻可达0. 01 ℃/W。

在自然对流冷却条件下，热管散热器比实体散热器的性能可提高10 倍以上。

热管散热器可以采用自冷的方式，无需风扇，没有噪音，免维修，安全可靠。

图2所示为采用水- 铜热管散热器（以水为介质，铜为管壳材料） ，其蒸发段以压装方式装入铜材制成的基座，基座平面固定功率器件，冷凝段压装铝质散热片，形成热管散热器可有效地将功率器件在防爆腔体积聚地热量传导到壳体外并通过散热片快速散发，从而就解决了较大功率防爆变频器的散热问题。

图1　变频器主回路框图    

1—整流回路; 2—逆变回路

图2　采用水- 铜热管散热器示意图

1—功率器件； 2—基板； 3—防爆壳体； 4—散热片； 5—热管

    （3） 电磁兼容性措施 

    变频器的输入部分为整流电路，输出部分为逆变电路，它们都是由起开关作用的非线性元件组成，在开断电路的过程中，都要产生高次谐波，由于功率较大，对系统其它设备干扰性较强，其干扰途径主要为传导、电磁辐射及感应耦合。

为防止干扰，可从硬件和软件两个方面入手，硬件抗干扰的原则就是要抑制和消除干扰源，切断干扰的耦合通道和降低系统干扰信号的敏感性。

因此，可以采取隔离、滤波、屏蔽、接地等措施，将干扰抑制在相关标准允许的围

    1） 串接电抗器或安装谐波滤波器

   在电源输入端串接合适的电抗器或安装LC型谐波滤波器，以吸收谐波和增大电源或负载阻抗达到抑制谐波的目的。

    2） 接地分开

    通过共用的接地线传播干扰是干扰传播的最普遍的方式。

将动力线的接地与控制线的接地分开是切断这一途径的根本方法，即将动力装置的接地端子接到地线上，将控制装置的接地端子接到该装置的金属外壳上。

    3） 布线分离

    信号线靠近有干扰源电流的导线时，干扰会被诱导到信号线上，使信号线上的信号受到干扰，布线分离对消除这种干扰行之有效。

把动力电缆、控制电缆以及信号电缆分开走线，在有限的空间保持一定间隔，尽量增大干扰源与受扰电路间的距离。

模拟量、低电平、高电平信号采用屏蔽双绞线连接并单独占用走线槽。

控制电缆最好与其主回路线以垂直的方式走线。

    4） 采用变压器隔离

    采用隔离变压器将电源与控制回路隔离，隔离变压器可应用具有隔离层的隔离变压器。

    5） 屏蔽

    将计算机控制单元予以屏蔽， IGBT的驱动单元和控制单元之间使用光纤进行信号传递。

4　结语

（1） 通过分析研究，矿用低压防爆变频器的整体结构需要重新设计，在保证变频器性能的前提下，主要解决防爆散热、电磁兼容性等关键技术。

（2） 目前额定电压1140V、额定功率200kVA及以下的防爆变频器在煤矿井下风机、带式输送机、绞车的控制系统中已得到广泛的应用，随着生产设备单机功率的不断增大，需要研制更大功率的矿用防爆变频器。

变频器的试验与测试

来源：

无忧电子开发网 作者：

磊

　　交流变频调速是集电力电子、自动控制、微电子学和电机学等技术之精华的一项高新技术，自问世以来倍受瞩目。

它以优异的调速性能、显著的节电效果和广泛的适用性而被国外公认为世界上最理想的电气传动方案。

技术的发展

生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显露出来。

由于换向器的存在，直流电机的维护量加大，单机容量等都受到限制。

人们开始转向结构简单、维护方便的异步电动机。

但异步电动机的调速性能难以满足生产的需要。

20世纪60年代以后，电力电子技术、控制技术和微电子技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速媲美。

目前，交流调速已进入逐步代替直流调速的时代。

变频调速的控制方式经历了脉宽调制变压变频（PWM—VVVF）、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等技术的发展历程，在控制精度、控制算法的复杂度、通用性等方面得到很大提高。

最新的技术是矩阵式交-交变频，省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。

它能实现功率因数为1，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。

变频器的试验要求

　目前，已制订了6项电气传动调速系统的国家及行业标准：

GB/T3886.1-2002、JB/T10251-2001、GB/T12668.1-2003、GB/T12668.2-2003、GB/12668.3-2004、GB/T12668.4。

此外，GB/12668.5、GB/12668.6正在进行最后阶段的审批。

　　变频器的试验类型包括型式试验、出厂试验、抽样试验、选择试验、车间试验、验收试验、现场调试试验、目击试验等。

  　电气试验方面主要是测量变频器的输入、输出值，包括：

　　1）输入值：

额定输入电压、额定输入电流、额定容量、有功功率、功率因数、输入各次谐波、输入总失真度。

　　2）输出值：

最大额定输出电压、额定连续电流、额定功率、频率围、过载能力（过载能力适用于额定的转速围）、输出各次谐波、输出总失真度。

　　3）效率：

在设计的频率围，各个频率下的效率。

　　变频器的测量与仪器

　　1、测量仪器仪表简介

　　目前常见的测量仪表很多，这里介绍几种常见的仪表。

　　1）动铁式仪表：

　　这种仪表测量的是有效值，它的值由固定线圈磁场与其可动铁之间相互作用的电磁力所确定的偏转角度而确定。

读数误差由动铁的磁饱和以及谐波对线圈电感的影响引起。

仪表精度一般为0.5级。

　　2）整流式仪表：

交流电流经整流然后作用于动圈式直流表，按交流电流的有效值确定刻度，其有效值是由整流平均值乘以波形系数求出的。

该种仪表基本用于测量正弦电流波形，在测量非正弦电流的波形时，应注意波形系数。

典型的仪表精度是1.0级。

　　3）热电式仪表：

　　温升与测量电流产生的热量成正比，温升被热电偶转换为直流电动力，其电流有效值由直流毫伏表指示。

　　4）电动式仪表 ：

　　电流指示值具有均匀的刻度，其指针偏转角度等于两个线圈间的力，它的驱动转矩（Im×IF×dT／dq）电流IF是与负载串联的固定线圈的电流Im正比于动圈中的电压。

典型精度为0.5级。

　　5）谐波分析仪：

　　目前最常用的变频器主电路一般为交-直-交组成。

在整流回路中接有大电容，输入电流的波形不是正弦波；在逆变输出回路中输出电压信号是受PWM载波信号调制的脉冲波形。

其他类型的变频器与此类似，输入、输出都不是标准的正弦波，有较多的高次谐波含量，因此，在测量仪器的选择上与传统的测量有所不同。

　　目前，特别适于变频器测量的仪器是谐波分析仪，主要有日本横河（YOKOGAWA）的WT系列谐波分析仪，如WT1600、WT3000等。

这类产品不仅可以测量基本的电参数，并且针对变频器做了一些特殊设计：

如测量模块比较多，可以同时测量输入、输出参数，进行谐波分析，测量真功率因数；带宽比较宽，可以从DC到1MHz，精度一般可以达到0.15级或0.02级；显示方便，可以显示数值、波形、谐波柱状图等；可以测量变频器驱动的电机的机械输出，如电机转速、扭矩等，这样可以更方便的测量变频器的驱动能力及驱动效果。

可以说，一台WT谐波分析仪可以替代一堆传统仪表，确保测试的高效和准确。

　　2、变频器测试

　　对变频器进行测试的电路如图1所示，这是一个完整的变频器测试方案，包括三相电源输入、三相输出、驱动电机的机械输出（转速、扭矩）等。

如果被测的变频器功率较大，输入、输出电流超过了仪器的量程，就需要在电流的测量回路里接入CT（电流互感器），把被测电流转变成仪器的测量量程。

　　测试电路里的谐波分析仪是横河公司的WT1600数字功率计。

该仪器有6个模块，可以同时输入6路电压、6路电流；同时有电机测试模块，可以测量电机的转速、扭矩等。

一台WT1600不仅可以测量变频器的输入、输出参数，还可以测量电机的扭矩、转速、滑差、机械输出功率，以及电机效率变频器效率等。

　1）输入侧的测量

　　变频器输入电源是50Hz交流电源，但是由于变频器的输入侧是整流电路，电流的波形一般不是标准的正弦波。

典型的输入波形如图2。

　　传统的有功功率的计算公式为：

　　P＝Urms×Irms×cosφ

　　式中：

　　P：

有功功率；Urms：

电压有效值；Irms：

电流有效值；φ：

电压电流夹角。

　　但是，变频器的输入电流包括高次谐波，很难测量出相位角。

　　横河的WT1600等WT系列的谐波分析仪使用了数字采样方法，对指定的有效采样周期获取的瞬时波形数据的总和进行平均。

总和由样本数N平均，得出一个功率值，如图3。

　　有功功率计算公式为：

　　式中：

　　u（t）:

时刻“t”的电压瞬时值；i（t）：

时刻“t”的电流瞬时值；Δt:

采样时间间隔；N：

总采样样本数。

　　这样，不需要测量电压电流夹角，就可以计算出有功功率。

　　相应的，功率因数PF＝P/S＝P/（Urms*Irms）

　　式中：

　　S：

视在功率

　　同时，谐波分析仪测量波形进行谐波分析，计算出电压畸变率、电流畸变率等，然后对系统进行综合分析判断。

电压总的畸变率Uthd：

　　式中：

　　U

（1）：

基波电压；U（k）：

k次谐波电压；max：

最大谐波次数

　　电流的总畸变率Ithd：

　　式中：

　　1）：

基波电流；I（k）：

k次谐波电流；max：

最大谐波次数

　　2）输出侧的测量

　　变频器的输出波形见图4，是频率可变的信号，含有较多的高次谐波。

而电动机转矩主要依赖于基波电压有效值，因此，需要测量的电压值或者说一般变频器的额定电压值是指基波有效值。

对PWM类型的变频器来说，PWM电压的整流平均值正比于其输出电压基波有效值。

如日本电机学会（JEMA）规定：

使用平均整流方法计算有效值，因为该值更合适地反映了驱动电机的输出转矩。

　　横河WT1600等WT系列谐波分析仪，可以同时测量有效值、整流平均值等数值，用户可以根据需要进行方便的选择。

变频器的效率为：

　　式中：

　　h：

变频器效率ΣPout：

变频器输出有功功率；ΣPin：

变频器输入有功功率。

　　WT1600还可以测量电机的机械输出，可测量电机的速度和扭矩传感器的输出，然后计算扭矩、旋转速度、机械功率、同步速度、滑差等，实现在一台仪器上测量电机效率与总效率。

　　随着变频技术的发展，对测量也提出了更高的要求。

测量仪表厂家根据变频器的发展和需求不断推出新产品，满足了测试的需求。

目前，变频技术的日益复杂化，一些非标准的正弦调制PWM波形的出现，经常发生输出电压的整流平均值与基波有效值不相等的情况。

针对这种情况，横河公司推出WT系列最新型号WT3000产品，在不改变测量模式的情况下，改进了设计，使其可以同时测量常规项目，如整流有效值以及谐波有效值等，用户可以自己对数据进行对比。

产品与测量手段是相辅相成并互相促进的，二者会随着技术的发展不断推出新。