徐占軍，謝小展，徐國強，許隨利，李瑞常

（1.  深圳市庫馬克新技術股份有限公司，廣東省深圳518108）

（2.  焦作煤業(yè)（集團）新鄉(xiāng)能源有限公司，河南焦作454100）

關鍵詞：高功率密度；復合功率單元；單元級聯(lián)；礦用隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變電變頻器

摘要：針對煤礦井下10 kV電壓等級的輸送機應用，研制了高功率密度礦用隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變電變頻器BPBJV-1600/10，介紹了整體設計、隔爆兼本安設計、主電路拓撲結(jié)構選擇、功率單元設計及器件選型及試驗等。研制的樣機通過了第三方認證機構——國家安全生產(chǎn)上海礦用設備檢測檢驗中心認證測試，并在某煤礦成功投運，取得了良好的效益。
關鍵詞：高功率密度；復合功率單元；單元級聯(lián)；礦用隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變電變頻器。

      近年來，隨著技術發(fā)展，煤炭行業(yè)提出了建設智慧礦山戰(zhàn)略，煤礦開采成套設備開始了技術升級。礦用隔爆兼本質(zhì)安全型變頻器作為一種電力電子傳動自動化設備，以其優(yōu)異的軟啟軟停、變頻無級調(diào)速、多機同步控制、多機轉(zhuǎn)矩和功率平衡等性能，被廣泛地應用到傳統(tǒng)煤礦向智能化礦山升級改造中，極大地提高了煤礦裝備的自動化與智能化水平。過去，在煤礦井下10 kV 電壓等級的膠帶輸送機中，其配套的10 kV 隔爆型電機通常采用液力耦合器、CST 等進行驅(qū)動，這種方式自動化與智能化水平不高，經(jīng)常出現(xiàn)內(nèi)部液體泄漏、金屬部件磨損、電機燒毀、多機運行時無法進行功率平衡等問題，維護成本居高不下，嚴重阻礙了煤礦智能化水平的提升及生產(chǎn)效率的提高，尋求優(yōu)秀技術方案解決這些問題刻不容緩。2018 年，立項對此問題進行了專項攻關，研制出了能夠在煤礦井下10 kV 電壓等級的膠帶輸送機上進行應用的高功率密度礦用隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變電變頻器，很好地解決了上述問題。

1 整體設計
    本次研制的在煤礦井下10 kV電壓等級皮帶輸送機應用的礦用隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變電變頻器BPBJV-1600/10 主要技術參數(shù)為：額定輸入電壓10 kV，額定功率1 600 kW，額定輸出電流117 A，輸出電壓0～10 kV，輸出頻率0～50 Hz，過載能力150%/1 min，防爆型式采用礦用隔爆兼本質(zhì)安全型。
    立項后，對煤礦井下10 kV 電壓等級的皮帶輸送機及礦用隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變電變頻器的技術現(xiàn)狀進行了調(diào)研，總結(jié)分析后，首次提出了內(nèi)置整流移相變壓器的高功率密度10 kV輸入/輸出礦用隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變電變頻器的方案，即移相整流變壓器與逆變器集成在一個隔爆箱體內(nèi)，通過采用水冷技術及復合功率單元技術，提高功率密度。最終實現(xiàn)了在一個外形尺寸不超過4 395 mm×1 560 mm×1 830 mm空間內(nèi)滿足額定功率1 600 kW，過載功率2 400 kW的設計要求。

2 礦用隔爆兼本質(zhì)安全設計
    此次研制產(chǎn)品是針對煤礦井下應用而研制。煤礦井下環(huán)境很復雜，存在易燃易爆氣體甲烷，是一個存有爆炸性氣體的環(huán)境；煤礦井下空間有限，對變頻器的體積有著嚴格限制；煤礦井下存在煤塵、環(huán)境潮濕甚至有滲水滴水現(xiàn)象；同時國家相關單位針對煤礦井下應用的電氣設備制定了嚴苛標準。這些環(huán)境條件及因素使得地面10kV電壓等級的高壓變頻器無法滿足應用要求，同時這些因素也是本次研制需要攻克的關鍵點。本次研制的產(chǎn)品柜體采用了平面隔爆技術和圓筒隔爆技術，主回路輸入輸出端子采用了先進的10 kV 高壓電纜連接器技術，產(chǎn)品的控制端口采用了本質(zhì)安全設計，柜體防護按照IP54 設計，通過有限元分析及試驗，本次研制的產(chǎn)品達到并超過國家標準GB3836.1，GB3836.2 及GB3836.4的要求。

3 主電路拓撲結(jié)構
    由于電力電子器件的工藝水平并不能很好地解決其功率、電壓承受能力與開關頻率之間的矛盾，為了研制高頻、高壓、高性能和低EMI的大功率變流器，必須將高性能電力電子器件、主電路拓撲結(jié)構以及變流器所在系統(tǒng)的控制策略進行綜合考慮，以找到解決問題的方案。多電平結(jié)構成為其中一種具有代表性和較為理想的解決方案［1］。常見的電壓型多電平變頻器主要有3 種基本拓撲結(jié)構，即二極管鉗位式、電容跨接式和具有獨立直流電源的單元級聯(lián)式。本次研制的礦用隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變電變頻器BPBJV-1600/10采用單元級聯(lián)式，如圖1所示。

    圖1 中，T 為整流移相變壓器；A1～A4，B1～B4，C1～C4為復合功率單元；KM1，KM2為輸出接觸器。整流移相變壓器容量選擇2 000 kV·A，包含1 個原邊繞組、1 個輔助電源1 140 V繞組、24個額定電壓為690 V的繞組。復合功率單元為6相輸入單相輸出，輸入線電壓為690 V，輸出線電壓為1 450 V。功率單元A1～A4的輸出依次串聯(lián)連接形成A相，相電壓為5 800 V；功率單元B1～B4的輸出依次串聯(lián)連接形成B相，相電壓為5 800 V；功率單元C1～C4的輸出依次串聯(lián)連接形成C相，相電壓為5 800 V。然后，將A4，B4，C4的L1連接在一起，形成變頻的中點，單元A1的L2作為逆變器的A相輸出，單元B1的L2作為逆變器的B相輸出，單元C1的L2作為逆變器的C相輸出，輸出線電壓為10 kV。通過對KM1和KM2的控制，可使變頻器輸出具有2 種驅(qū)動模式，即1 臺變頻器驅(qū)動1 臺電機模式和1 臺變頻器驅(qū)動2 臺電機模式。這種結(jié)構為高—低—高的功率變換方式，整流移相變壓器將輸入三相10 kV電壓變?yōu)槎嘟M三相690 V電壓，作為功率單元的輸入，功率單元逆變出的單相1 450 V電壓，分別將每相功率單元輸出級聯(lián)，最終使得變頻器輸出線電壓為10 kV，功率單元按照6 相輸入線電壓為690 V，單相輸出為1450 V的變頻模塊進行設計，采用額定電壓為1700 V的器件即可滿足設計要求。若不采用多電平結(jié)構，則必須采用器件串聯(lián)結(jié)構解決耐壓問題，目前單一功率開關器件比如IGBT 模塊制造水平為耐壓6 500 V，顯然單一功率開關器件無法滿足直接10 kV電壓變換的要求。

                                          圖1 主電路拓撲結(jié)構圖
                                    Fig.1 Diagram of main circuit topology

4 整流移相變壓器設計
    整流移相變壓器是變頻器的關鍵器件，通過合理設計整流移相變壓器，可解決本項項目需求的變壓、消除整流產(chǎn)生的諧波、隔離等問題。此項目中，采用了48 脈波整流，相移角度為7.5°，二次側(cè)設計25 個繞組，其中24 個繞組額定電壓為690 V，給12 個功率單元供電，1 個繞組額定電壓為1140 V，作為輔助電源。通過分析可知，移相變壓器的二次側(cè)相移7.5°后，變壓器一次側(cè)電流是具有半波對稱性質(zhì)的奇函數(shù)［2］，一次側(cè)電流中的47 次以下諧波被抵消，系統(tǒng)的輸入電流諧波大幅減小，且輸入電流的基波因數(shù)增大，進一步提高了系統(tǒng)功率因數(shù)。

5 功率單元
    功率單元是變頻器的核心部件，為了提高功率密度，在功率單元上進行了創(chuàng)新設計，首次研制了一種基于水冷的復合功率單元，其原理圖如圖2 所示。圖2 中，R1，S1，T1，R2，S2，T2為功率單元的6 相輸入端，線電壓為690 V，L1和L2為功率單元的輸出端，輸出電壓為1 450 V。通過計算，功率單元的額定輸出電流為117 A，額定輸出電壓為1 450 V，額定容量為162 kV·A。整流橋采用三相全波整流，逆變橋采用IGBT模塊，直流電容采用金屬薄膜電容器，損耗更小，壽命達100kh。

                                         圖2 復合功率單元的原理圖
                                   Fig.2 Schematic of composite power unit

6 冷卻設計
   本次研制變頻器冷卻設計需要考慮的因素為：1）滿足額定功率1 600 kW，過載功率2 400kW的散熱需求；2）變頻器體積小、功率密度高；3）每個功率單元需要浮地，功率單元的殼體對地要能夠承受10 kV 的共模電壓。綜合考慮，采用了水—風換熱和水—水換熱相結(jié)合的方式，整流移相變壓器采用水—風換熱，逆變器采用水—水換熱，冷卻系統(tǒng)示意圖如圖3所示。從圖3中可以看出，，外循環(huán)水采用自來水，內(nèi)循環(huán)水采用去離子水，且電導率不大于0.3 μs/cm，在內(nèi)水中并聯(lián)了離子交換器，在每次內(nèi)水循環(huán)中，均有15%流量的冷卻水流過，冷卻水中的游離離子會被離子交換器吸附，確保管路內(nèi)冷卻時的電導率穩(wěn)定且滿足設計要求。為了避免溫差過大造成的凝露現(xiàn)象，在內(nèi)循環(huán)水的回水處設置了電動三通閥，實時檢測內(nèi)循環(huán)冷卻水的水溫，通過采用滯環(huán)控制器的水溫控制器控制并調(diào)節(jié)電動三通閥的開度，可控制冷卻水的水溫在5～35℃的范圍內(nèi)。

7 試驗
    2018 年11 月，樣機研制完畢，國家安全生產(chǎn)上海礦用設備檢測檢驗中心按照《礦用產(chǎn)品安全標志審核發(fā)放實施規(guī)則——高壓變頻器》及企標在深圳庫馬克電機加載試驗室完成了溫升試驗、恒轉(zhuǎn)矩試驗、150%過載試驗、電磁兼容試驗、電能質(zhì)量試驗及整機保護功能試驗，各項試驗指標完全滿足要求，溫升試驗數(shù)據(jù)如表1 所示，恒轉(zhuǎn)矩試驗數(shù)據(jù)如表2 所示，額定負載試驗時變頻器輸出波形如圖4 所示；在上海國家安全生產(chǎn)上海礦用設備檢測檢驗中心完成了其他試驗（如交變濕熱試驗、殼體防爆相關試驗、雷擊試驗）；2019年2 月27 日獲得了防爆合格證書；2019 年3 月20日，獲得了礦用產(chǎn)品安全標志證書。2019 年4 月將此變頻器應用于某煤礦進行工業(yè)運行，運行良好，調(diào)速性能優(yōu)異，膠帶輸送機的自動化水平和智能化水平獲得提高，收到客戶一致好評。

8 結(jié)論
    本次研制的適用于煤礦井下10 kV電壓等級的礦用隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變電變頻器，通過型式試驗，調(diào)速性能優(yōu)異，穩(wěn)定可靠，2019年4月將此變頻器應用于某煤礦進行工業(yè)運行以來，實現(xiàn)了優(yōu)異的軟啟軟停、變頻無級調(diào)速、多機同步控制、多機轉(zhuǎn)矩和功率平衡等性能，極大地提高了煤礦裝備的自動化與智能化水平，對保證煤礦安全生產(chǎn)、降低煤礦工人勞動強度、節(jié)能減排、實現(xiàn)少人綜采乃至無人綜采智慧化礦山的建設起到積極作用，具有廣闊的應用前景。

參考文獻
［1］ 中國電工技術學會電力電子學會. 電力電子設備設計和應用手冊［M］. 第3版. 北京：機械工業(yè)出版社，2009.

［2］ 李永東，肖曦，高躍. 大容量多電平變換器：原理·控制·應用［M］. 北京：科學出版社,2005.