防爆变频器在煤矿应用中的关键技术

刘东耀 宋青东 高俊梅

[摘    要 ]随着我国电子技术的飞速发展以及和科学技术的迭创新与进步，防爆变频器在我国众多领域中运用广泛，却在煤矿应用中存在着一些关键技术问题亟待解决。主要针对防爆变频器在煤矿应用中的电压等级问题、散热问题、电磁兼容性问题、逆变器转换效率问题展开详细论述，并针对上述问题有针对性地提出了防爆变频器的电路拓扑结构、优化控制策略，以供相关技术与研究人员提供一些借鉴与参考。

[关键词]防爆变频器;煤矿;实际运用;关键技术问题;控制策略探究

[中图分类号]TD684 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）06–00–02

[Abstract]With the rapid development of electronic technology in our country and the continuous innovation and progress of science and technology， explosion-proof frequency converters are widely used in many fields in our country， but there are some key technical problems in coal mine applications that need to be solved urgently. It mainly focuses on the voltage level issues， heat dissipation issues， electromagnetic compatibility issues， and inverter conversion efficiency issues of explosion-proof inverters in coal mine applications. In response to the above problems， the circuit topology of explosion-proof inverters， Optimize the control strategy to provide some reference and reference for related technology and researchers.

[Keywords]explosion-proof frequency converter; coal mine; practical application; key technical issues; control strategy research

1 防爆变频器在煤矿应用中的电压等级问题

目前，在我国工业生产以及人们实际生活中最为常用的电压等级有两种：220V和380 V。然而，在煤矿工业生产、制造与加工环节中，在其特殊的生产制造与施工作业条件之下，煤矿井在实际生产过程中所使用的电压等级随着生产制造环境难度的加大，對供电电压也提出了更高的要求。一般情况下，煤矿应用中所使用到的供电电压等级比平常的工业生产以及民用生活所使用到的电压等级多出2倍，其电压等级一般选用660 V或1140 V。在实际的煤矿生产、制造、加工以及实际应用过程中，随着我国生产能力的不断提高，我国能源消耗量逐年增加，对于煤矿生产能力的要求也随之不断拔高，对于煤矿生产、制造与加工环节中的机械装置、生产设备的功率需求也随之不断攀升。很多大型或中型的煤矿综采工作面或综采平台的供电电压的等级较之于平常使用的660 V以及1140 V有所提高，一些中型的煤矿综采工作面或综采平台的供电电压的等级已提升至3300 V，一些中型的煤矿综采工作面或综采平台的供电电压的等级已提升至6 kV，甚至有一些极少部分的大型或中型的煤矿综采工作面或综采平台的供电电压的等级已提升至10 000 V等。然而，目前在煤矿供电系统最常使用的供电电压等级还是以660 V或1140 V为主导电压等级。比如，煤矿井下的带式、刮板输送装置、煤井通风设备、煤矿矿井供给水泵装置等机械装置都选取该电压660 V或1140 V这两类主导电压等级进行电力供应。在针对实际煤矿应用中的电压等级问题进行研究时，通过电气控制系统对防爆变频器予以变频改造过程中，对防爆变频器的电压等级应该首选660 V和1140 V2个电压等级，选择并改造出能够适配于660 V和1140 V这两个电压等级的防爆变频器。

2 防爆变频器在煤矿应用中的散热问题

将防爆变频器在实际煤矿运用活动中最关键的问题就是机械设备的散热问题。一般情况下，通常使用的变频器功耗大约为变频器容量3%～6%，逆变部分功耗大约为变频器容量的45%左右，整流及直流回路功耗大，约为变频器容量的35%左右，控制及保护电路功耗大约为变频器容量的1/10左右。现如今，在变频器中广泛使用的主流功率器件有1GBT（绝缘栅双极型晶体管）以及智能功率模块IPM（将功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且其内部还集成有过电压、过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到CPU）。其中，绝缘栅双极型晶体管的发热量约为主回路发热总量的1/2～7/10。因为，防爆变频器中的电气元器件一般被密闭保存在隔爆腔体，根本不能在自然条件下冷却，如果通过水冷的方式将防爆变频器中的电气元器件予以冷却，则应该运用水循环系统以及散热器装置冷却防爆变频器中的电气元器件，以保证其正常运作。然而，由于防爆变频器的外壳装置体积沉重，因此，在防爆变频器的外壳装置中进一步完善并健全水管设备以及散热装置必然会进一步加大防爆外壳的体积和重量，使其不堪重负，极大地限制了防爆变频器安装和维护工作的正常进行与顺利完成。由此可见，科学、快速、高效、合理地对防爆变频器进行有效散热并使热量快速脱离防爆壳成为防爆变频器设计与建造的核心。

就现阶段而言，一方面，防爆变频器中的电气元器件一般被密闭保存在隔爆腔体，根本不能在自然条件下冷却;另一方面，由于防爆变频器的外壳装置体积沉重，因此，在防爆变频器的外壳装置中进一步完善并健全水管设备以及散热装置必然会进一步加大防爆外壳的体积和重量，并极大地限制了防爆变频器安装和维护工作的正常进行与顺利完成。在这种条件下，热管散热器凭借其优良性能，一跃成为一种防爆变频器有效散热并使热量快速脱离防爆壳的高效方式。隔热型热管散热器可利用工作介质不断地进行冷凝和汽化操作，进而将各类机械装置零部件以及防爆变频器的热量予以传导，隔热型热管散热器热阻可达0.01℃/W，较之于普通散热器的自然冷却，隔热型热管散热器的散热性能是普通散热器的自然冷却效果10倍左右。将隔热型热管散热器运用于双面散热的电子器件，能够高效地将防爆腔中的各类机械装置零部件在实际运作环节中产生的热量迅速传至防爆变频壳体之外，并在散热片的作用之下使热量快速散失，以便于防爆变频器高效快速散热。防爆型热管散热器的主要有3个部分构成：①防爆型散热管;②防爆型散热片;③防爆型基板。

对于防爆变频器而言，运用防爆型热管散热器可以将变频器的各类机械装置零部件在实际运行过程中产生的热能、热量在基板的作用之下，从热管的这一边在通道介质中在饱和蒸汽的作用下被传导到热管的另一边，这一边也就是冷凝段所处的具体位置。在饱和蒸汽的作用之下热量由热管一端被传导至冷凝段，在冷凝段位置进行散热片的安置工作，并确保散热片结构完好并能正常发挥其应有的作用。散热片可以将变频器的各类机械装置零部件在实际运行过程中，通过对流或有辐射的热量传导形式，将热量传导到各类机械装置零部件以及防爆变频器的环境空间，在工作介质的饱和蒸汽的作用之下，顺利地将气体转换为液态，并利用热管内管芯毛细结构的抽吸回流作用，将饱和蒸汽的作用之下的液体成功地传输至热管蒸发段。需要特别注意的是：在防爆变频器中安置热管应该将热管稍稍上扬，以便于介质液体抽吸回流工序的正常进行并顺利完成。

3 防爆变频器在煤矿应用中的电磁兼容性问题

目前，应用于煤矿生产、制造与生产的各类电力电气机械装置明目众多，且电力电气设备的电动机启动过程较为繁复;因此，防爆变频器特别容易被电磁扰乱，且在实际运用中的防爆变频器不仅要产生噪声，而且又必须作为噪声的收纳装置，必须保证两者能够合理兼容，即电磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility）。防爆变频器的电路组成主要由3大部分构成：①整流电路;②逆变电路;③控制电路。

普遍而言，运用脉冲宽度调制技术对防爆变频器进行调节时，防爆变频器在实际运作环节出现的高次谐波可以通过传导耦合、公共阻抗耦合以及电磁耦合这3种耦合方式予以干扰。然而，由于在实际运作环节中耦合通道的差异性，防爆变频器干扰区主要由共模干扰以及差模干扰构成。其中，一般情况之下，共模干扰是由变流器中的功率开关器件开关引起的du/di经对地杂散电容间的耦合传播干扰;反之，差模干扰是由功率半导体开关器件开关引起的di/dr经输入/输出线间的导体传播干扰。

现如今，我国对于防爆变频器电磁兼容性问题方面的研究主要从硬件结构和软件编程这两个视角入手进行研究，并且研究程度已经逐渐深入。其中通过硬件结构抗干扰的抗干扰原理是通过减少干扰源对防爆变频器电磁兼容性产生的影响;并使用特定的方式切断耦合通道，进而降低系统干扰信号的敏感性。针对这一情况，应该通过滤波、隔离、屏蔽、接地等方式把防爆变频器的干扰抑制进行严格管控。然而，在实际防爆变频器的实际运作环节中，因为，防爆变频器的内部腔体内包括主电路以及控制回路;因此，主电路以及控制回路非常容易被限制，在实际应用中存在一定的弊端。由此可见，面对电磁兼容性问题，首先应该找到防爆变频器出现电磁干扰的因素，即必须从干扰源、中间渠道出发。随后，仔细分析其原因，从缩减电磁干扰源的干扰强度，阻碍电磁干扰进行中间渠道传播等角度出发提高防爆变频装置的电磁抗干扰度，比如针对防爆变频器的电路拓扑结构进行科学、合理地改进与完善，优化防爆变频器的控制措施以及防爆变频器的驱动电路等。

4 防爆变频器在煤矿应用中的逆变器转换效率问题

要想真正解决防爆变频器的散热、电磁兼容性问题，并提高逆变器转换效率，则必须降低逆变器的功率损耗。一方面可以采取低损耗的功率器件;另一方面，可以通过改良、完善防爆变频器的电路拓扑结构，优化控制策略这两种方式予以应对。

5 改良防爆变频器的电路拓扑结构，优化控制策略

一般情况之下，防爆变频器中的逆变器选取二电平结构，极大地加大了逆变器的功率损耗，降低转换效率。较之于二电平结构，改变防爆变频器的电路拓扑结构，可以用三电平结构取代二电平结构，降低逆变器损耗，逆变器损耗的减小也意味着变频器的散热问题得到解决。三电平逆变器的绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor）普遍选用模块化结构作为支撑，其优势在于：反向阻断电压较低、芯片比二电平薄，具有更低的开关损耗和正向压降，单个桥臂的总损耗比二电平逆变器低六成左右。此外，三电平逆变器可有效减小耐压水平，使其损耗降低，提高防爆变频器的电磁兼容性，适用于三电平逆变器的控制策略采用空间矢量脉宽调制技术。三电平逆变器每相输出状态有正（P）、零（Z）、负（N）3种状态，组合形成27种空间电压矢量，在三电平逆变器中，可以选择不同的矢量合成方法来实现SVPWM和中点电压的平衡控制。

6 结束語

综上所述，在煤矿生产过程中，可通过隔热型热管散热器防爆变频器可解决变频器的防爆和散热问题;通过改变变频器的电路拓扑结构并优化控制策略等技术手段可解决变频器的电磁兼容性问题和能耗问题，防爆变频器，以满足煤矿生产的现代化要求。

参考文献

[1] 姚丽晨，张子文，王麟瑞，等.如何有效提高防爆变频器在煤矿应用中的关键技术水平[J].2019，12（3）：111-120.

[2] 王子鑫，王思凯，赵宇露，等.试论新时代下煤矿开采工作如何有效提升环境监测全过程质量管理分析水平的监督责任分析研究[J].2018，2（6）：113-114.