低压防爆变频器在煤矿的应用

低压防爆变频器在煤矿的应用

陈武

西安重装伟肯电气有限责任公司

【摘要】随着电气传动领域重大技术变革，交流调速技术具有良好的动态性能，可以解决低速大扭矩控制需求。目前我国设备传统调速方法通过调节出入口挡板调节给风量，通过应用变频器可节约电能20-50%，推广应用变频调速技术具有重要意义。研究介绍低压防爆变频器结构原理，论述煤矿生产应用低压防爆变频器的优势；分析煤矿低压变频器设计应用存在的问题，探讨矿用低压防爆变频器优化设计。

【关键词】低压防爆变频器；煤矿工程；技术应用

   电动机在煤矿井下使用广泛，三相异步电动机为煤矿井下设备提供动力，小功率电动机对负载产生机械冲击等不利影响。煤矿井下电动机软启动方式包括调速型液力耦合器，矿用防爆软启动器等。矿用防爆变频器是电力电子器件与微电子控制结合的产物，三相交流异步电动机进行调速控制，可改善提高系统控制工艺。矿用防爆变频器通常采用矢量控制技术，可实现电机输出转矩控制。随着大型煤矿数量增加，矿用防爆变频器成为首选电机驱动控制设备。矿用变频器主要应用于矿井下带式输送机，变频器故障会造成巨大的经济损失，研究低压防爆变频器设计应用具有重要意义。

1.煤矿用低压防爆变频器结构原理

   现代电力电子技术飞速发展，计算机数控取代模拟控制成为发展趋势。编排调速以其高功率因数等优点被认为是最有发展前途的高压电机调速方式【1】。矿用变频器与普通变频器使用环境不同，煤井存在可燃性粉尘等易燃易爆成分，矿用变频器控制技术研究需要对通用变频器改进。矿用低压变频器伴随高压节能型变频调速发展，早期矿用变频器具有两象限方式运行特点。随着高压变频器技术的发展，需要研究适用矿用的低压防爆变频器。图1 矿用变频器组成框图。              

                   图1 矿用变频器组成框图

矿用变频器通过PWM调制技术输出三相交流电，为符合煤矿井下爆炸性气体环境使用要求具有防爆特性【2】。矿用变频器防爆标志为Exd[jb]IMb，变频器电气相关元件安装在隔爆壳内部。变频器具有本质安全型电路，隔离开关用于主电路的手动分合控制。变频器是干扰源，串联用于抑制输入滤波器。输入电抗器作用是改善变频器功率因数，输出电抗器用于抑制du/dt，变频器机芯是矿用变频器的核心部分，散热器安装于变频器防爆壳体，显示及辅助接口部分包括变频器人机界面，变频器驱动电机大部分为变频电机，辅助接口包含控制机保护电路等。

2.煤矿用低压防爆变频器应用分析

矿井下带式输送机电气控制广泛使用隔爆型交流鼠笼电动机【3】。交流降压软启动特性较差，对移动变电站容量要求大。随着电气传动领域技术变革，变频控制方式克服传统技术的不足，变频器由最初的VVVF调速方案到目前直接转矩控制方式，具有良好的动态性能。由于煤矿井下具有爆炸性气体环境，设计研制防爆型变频器非常必要。

国外变频技术发展较早，通常需矿用生产厂家对变频器进行防爆改装后用于井下。编排调速一体机将电动机与变频器结合，额定功率1MW左右，体积小利于工作面设备布置。我国自90年代开始对矿用变频器研制，技术路线以采购地面整机防爆改装为主。随着国内矿用防爆变频器市场的扩大，矿用防爆变频器技术路线呈现多元化发展。一些国内通用变频器生产企业开始自行生产矿用防爆变频器，国内变频器生产企业通过合资方式生产矿用防爆变频器。国内矿用防爆变频器经过多年发展技术相对成熟，产品性能与稳定性得到长足发展，衍生出继承控制系统的专用矿用防爆变频器。

3.矿用低压防爆变频器的优化设计

矿用防爆变频器在井下具有很多优势，矿用防爆变频器相关技术成熟性能可靠，对带式输送机平滑气启动停止。矿用变频器具有友好的控制接口，如皮带节能系统通过检测皮带煤料调整带速，具有良好的节能效果【4】。矿用变频器使用DTC直接转矩控制技术，实现大型多驱带输送机功率平衡控制。矿用低压防爆变频器设计要注意功率器件选择，解决防爆散热问题等，设计研制后需要进行性能实验。

变频器主回路器件包括输入输出电抗器，直流电容与整流二极管等，IGBT为电力电子器件。由于器件驱动电路等存在差异，造成开关与传输时间不同，建议最小并联系数为0.9，逆变单元额定功率P1=P/0.8×2=625kw。器件选型计算基于单元进行计算。电力电子器件是变压器的核心器件，通过正确的计算指导电力电子器件选型尤为关键。选用整流二极管电力电子器件单元整流桥采用三相全桥不可控整流，整流二极管反向重复峰值电压Urrm>3546V。英飞凌是煤矿行业用户认可的电力电子器件品牌，选择系列产品二极管型号为DD435N36，选定二极管参数符合设计要求。

变频器电气设计是矿用变频器设计的重点，电气设计包括辅助控制电路及变频器驱动保护电路，辅助控制电力路包括变频器主控板接口，主电机冷却电路等。驱动保护电路部分包括变频器信号采集等内容。矿用变频器功能要求包括大转矩起动功能，加减速时间可控功能，软启停功能等。变频器内部PLC通过DI接口读取从机运行状态，变频器使用ABB ACS800主控板，采用DTC直接转矩控制方式，输出功率最高达5600kW,实现对交流永磁同步电机的控制。矿用电气产品必须通过国家相关设备检验机构的定型实验，变频器定型实验分为防爆与电气性能实验，电气性能实验按相关标准对变频器电气性能验证，变频器电气性能满足要求通过实验。

结语

矿用变频器成为煤矿井下电动机的首选驱动设备，可对电机转速进行精确控制，彻底消除电机启动中造成的电气及机械冲击。变频器采用DTC直接转矩控制方式，通过对电机历次电流控制实现对电动机输出转矩控制。选用英飞凌公司整流二极管器件可靠性高，变频器使用单元并联主回路结构，采用中文操作方式方便使用维护。变频器可使用矿用光缆进行同步信号传输，传输距离远抗干扰性能好。变频器防爆及电气性能符合国家相关标准要求。

参考文献

[1]李世光. 爆炸性环境下变频驱动系统防爆功能安全研究[D].中国矿业大学,2021.

[2]胡鹏. 低压DC/AC变频器在煤矿防爆蓄电池重型车中的应用[J]. 煤炭工程,2017,49(11):71-73.

[3]朱永平,徐晓建. 浅谈矿用变频器发展趋势[J]. 工矿自动化,2017,43(10):18-23.

[4]王毅颖. 煤矿电网多谐波源分散抑制和APFs接入点优化研究[D].中国矿业大学(北京),2017.