【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 基本采用的基本上是少數(shù)國(guó)外廠家專門為中國(guó)市場(chǎng)生產(chǎn)1140V的產(chǎn)品。產(chǎn)品價(jià)格十分昂貴，備件難，售后服務(wù)也存在著很大問題。所以大功率防爆變頻器的研究及其具有市場(chǎng)潛力。四、技術(shù)來(lái)源、開發(fā)研制現(xiàn)狀及協(xié)作單位基本概況該項(xiàng)目依靠自身的開發(fā)實(shí)力，我公司在防爆變頻領(lǐng)域有著將近數(shù)十年的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，完全有能力開發(fā)出此類產(chǎn)品，目前整個(gè)方案已經(jīng)定型，正在繪制防爆箱體的機(jī)械圖。五、項(xiàng)目?jī)?nèi)容、開發(fā)方案及經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)本項(xiàng)目是開發(fā)1140V500KW防爆變頻器，本課題的研究?jī)?nèi)容主要有以下三方面：、機(jī)械方面1）、防爆變頻器的防爆技術(shù)要求防爆變頻器按防爆型式分為礦用隔爆型“ExdI”和礦用隔爆兼本質(zhì)安全型“ExdibI”。本課題研究的變頻器為隔爆兼本質(zhì)安全型。型號(hào)按MT/，基本參數(shù)：額定電壓：1140V；額定電流：符合GB/T7622002的規(guī)定（除非產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)另有規(guī)定)；額定頻率：50HZ。2）、變頻器外殼具備耐爆性和隔爆型結(jié)構(gòu)隔爆外殼屬電氣設(shè)備的一種防爆型式，其外殼能夠承受通過外殼任何結(jié)合面或結(jié)構(gòu)間隙滲透到外殼內(nèi)部的可燃性混合物在內(nèi)部爆炸而不損壞，而且不會(huì)引起外部由一種、多種氣體或蒸汽形成的爆炸性環(huán)境的點(diǎn)燃。隔爆外殼的防爆型式通常稱為隔爆型，用字母“d”表示。隔爆型電氣設(shè)備的要求之一是設(shè)備外殼必須具有耐爆性，實(shí)際就是外殼的強(qiáng)度問題。當(dāng)隔爆外殼內(nèi)部發(fā)生爆炸時(shí)，應(yīng)使其不發(fā)生變形和損壞,不致使爆炸火焰直接點(diǎn)燃礦井中的瓦斯混合物，從而達(dá)到耐爆要求,它是由外殼的材質(zhì)和機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來(lái)保證。因此，外殼應(yīng)有足夠的堅(jiān)固性，以及外殼在熱源的作用下，經(jīng)燒灼及過熱不會(huì)受到損傷。外殼的隔爆性，又稱不傳爆性，它是隔爆型電氣設(shè)備的一個(gè)重要因素。所謂隔爆性就是要求外殼各個(gè)部件的連接要符合一定的隔爆構(gòu)造參數(shù)，而使其在下列情況下不能點(diǎn)燃周圍爆炸性介質(zhì):當(dāng)電氣過載或短路，引起殼內(nèi)的油或有機(jī)絕緣物分解生成的可燃性氣體爆炸，其火焰?zhèn)鞒鐾鈿r(shí)，由于隔爆構(gòu)造參數(shù)對(duì)弧光短路目前還無(wú)法達(dá)到隔爆要求，因此只能在電氣方面加強(qiáng)絕緣，保證質(zhì)量，或采用迷宮式結(jié)構(gòu)。如電纜用電子管式的保護(hù)方法來(lái)達(dá)到防爆目的或者嚴(yán)格控制瓦斯的濃度。這些都是外殼內(nèi)可能出現(xiàn)的最危險(xiǎn)情況，如果把它限制在外殼內(nèi)部，不讓它波及到殼外，或者雖然沖出了火焰和灼熱的金屬顆粒，但已被冷卻，就能有效地防止周圍可燃性瓦斯的爆炸。所謂不傳爆性，就是甲烷空氣混合物在外殼內(nèi)部爆炸時(shí)，向外噴出的火焰，不會(huì)引起殼外可燃性氣體的爆炸。它是由外殼的結(jié)構(gòu)，即通過外殼裝配接合面的寬度、間隙和表面加工光潔度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種接合面可以是法蘭盤對(duì)口式，也可以是圓筒或活動(dòng)式的裝配。防爆變頻器外殼采用快開門結(jié)構(gòu)，其隔離開關(guān)與隔爆外殼之間裝設(shè)可靠的機(jī)械連鎖，保證只有當(dāng)隔離開關(guān)處于斷開位置時(shí)，主腔才能打開；當(dāng)主腔打開后，以正常的操作方法不能使隔離開關(guān)閉和。隔爆接合面指隔爆外殼不同部位相對(duì)應(yīng)的表面配合在一起（或外殼連接處)且火焰或燃燒生成物可能會(huì)由此從外殼內(nèi)部傳到外殼外部的部位。外殼接合面寬度又稱火焰通路長(zhǎng)度指從隔爆外殼內(nèi)部通過接合面到隔爆外殼外部的最短通路長(zhǎng)度。隔爆間隙指隔爆接合面相對(duì)應(yīng)表面之間的距離。防爆變頻器隔爆接合面間隙，，無(wú)論是長(zhǎng)期關(guān)閉或是經(jīng)常打開的外殼其所有接合面均應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定要求，接合面表面應(yīng)進(jìn)行防腐處理,但通常不允許使用漆或類似材料涂覆,除非已證明該材料和涂覆工藝不會(huì)影響隔爆性能。對(duì)于I類電氣設(shè)備，應(yīng)能直接或間接檢查經(jīng)常打開的門。隔爆外殼應(yīng)能承受標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的內(nèi)部試驗(yàn)壓力而不發(fā)生損壞或引起外殼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低或接合面處間隙產(chǎn)生永久性增大使其超過表中規(guī)定間隙值的變形。根據(jù)規(guī)定，I類設(shè)備的外殼材質(zhì)應(yīng)符合附錄C中的補(bǔ)充規(guī)定，即采掘工作面用電氣設(shè)備的外殼須采用鋼板或鑄鋼制成。要求軟起動(dòng)器外殼能承受外殼耐壓試驗(yàn)和內(nèi)部點(diǎn)燃的不傳爆試驗(yàn)。外殼耐壓試驗(yàn)的目的是證明外殼能否有效的承受內(nèi)部爆炸，外殼應(yīng)在帶有全套內(nèi)部裝置或在該位置上裝有等效作用的物體狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)，但是外殼若設(shè)計(jì)成在拆去內(nèi)部部分裝置后仍能使用時(shí)，則應(yīng)在檢驗(yàn)單位認(rèn)為最嚴(yán)酷的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)，若外殼未發(fā)生損壞，也未發(fā)生永久變形，則認(rèn)為試驗(yàn)合格，在接合面的任何部位都不應(yīng)有永久性的增大。此外，隔爆外殼應(yīng)經(jīng)得起過壓試驗(yàn)，包括靜壓和動(dòng)壓試驗(yàn)。加壓時(shí)間應(yīng)為10s。對(duì)于容積大于10cm而不經(jīng)受出廠試驗(yàn)的外殼，試驗(yàn)壓力應(yīng)為參考?jí)毫Φ?倍。如果已知參考?jí)毫?。壓力上升速度不?yīng)與測(cè)定參考?jí)毫r(shí)的上升速度差別太大。特殊情況下可以通過預(yù)壓用于測(cè)定參考?jí)毫Φ谋ㄐ曰煳镞M(jìn)行試驗(yàn)。內(nèi)部點(diǎn)燃的不傳爆試驗(yàn)是將外殼放置在一個(gè)試驗(yàn)罐內(nèi)，外殼內(nèi)和試驗(yàn)罐內(nèi)應(yīng)充以相同的爆炸性混合物進(jìn)行試驗(yàn)。外殼內(nèi)的混合物應(yīng)采用一個(gè)高壓火花塞或其他低能點(diǎn)燃源來(lái)點(diǎn)燃。另外，若外殼內(nèi)裝有能點(diǎn)燃爆炸混合物的開關(guān)裝置時(shí)，可用該裝置來(lái)點(diǎn)燃。如果點(diǎn)燃沒有傳到試驗(yàn)罐內(nèi)，則認(rèn)為試驗(yàn)結(jié)果是合格的。I類使用的爆炸性混合物及其與空氣的體積比應(yīng)符合表中規(guī)定即甲烷58%氫24%。試驗(yàn)次數(shù)至少5次。本裝置防爆性能試驗(yàn)屬型式試驗(yàn)項(xiàng)目，外殼靜壓試驗(yàn)屬出廠檢驗(yàn)項(xiàng)目。外殼在精加工后應(yīng)進(jìn)行壓力為1MPa的靜壓試驗(yàn)，歷時(shí)10+20s，試驗(yàn)以無(wú)結(jié)構(gòu)損壞或可能影響隔爆性能的永久變形為合格。3）設(shè)計(jì)原則：1）防爆箱體要求體積小，致使可以利用的容積小，要求變頻器的控制系統(tǒng)，主功率元件等的體積必須緊湊；2）緊湊的結(jié)構(gòu)，使功率元件和控制系統(tǒng)靠的很近，要求解決好系統(tǒng)的強(qiáng)弱隔離問題，特別是控制系統(tǒng)的抗干擾問題必須很好解決；3）防爆箱體的密封性，要求解決好變頻器的功率元件的散熱問題。這些問題之間的相互關(guān)聯(lián)性要求在解決單個(gè)技術(shù)上的問題時(shí)，還必須充分考慮到它的各個(gè)制約要素，而不可顧此失彼。、電氣方面1）原理　變頻調(diào)速原理　　n＝60f（1－s）/p（1）式中　n———異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；f———異步電動(dòng)機(jī)的頻率；s———電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率；　　p———電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。　　由式（1）可知，轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率f在0～50Hz的范圍內(nèi)變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻調(diào)速就是通過改變電動(dòng)機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的?！　∽冾l器主要采用交—直—交方式，先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動(dòng)機(jī)。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個(gè)部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲(chǔ)能和緩沖無(wú)功功率。2）諧波干擾由于變頻器逆變輸出的電壓（或電流）波形并不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波行，而是存在著很多奇數(shù)諧波。這些諧波，尤其是低次諧波對(duì)負(fù)載產(chǎn)生很大危害。主要體現(xiàn)在下面幾個(gè)方面：對(duì)逆變器的開關(guān)器件和負(fù)載產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低了逆變效率；諧波還能影響負(fù)載用電設(shè)備的正常工作，諧波對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響除了可引起附加損耗外，還會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲和過電壓，使變壓器鐵損增大而發(fā)熱，使電容器、電纜等過熱，絕緣老化，壽命縮短，以至損壞；諧波會(huì)導(dǎo)致機(jī)電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作，并使電器測(cè)量?jī)x表不準(zhǔn)確；會(huì)對(duì)臨近通訊系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量，重者導(dǎo)致信息丟失，使通信系統(tǒng)無(wú)法正常工作，這一點(diǎn)在煤礦礦井中的應(yīng)用是會(huì)產(chǎn)生很嚴(yán)重的后果。3）、浪涌電壓?jiǎn)栴}在逆變器進(jìn)行換向過程中，或者開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)，其電流迅速變化，而在線路雜散電感上產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓加在開關(guān)器件上，可能使開關(guān)器件損壞。而線路的雜散電感不僅無(wú)法去除，而且很難估計(jì)其確定值，所以其誘發(fā)的浪涌電壓也很難預(yù)先估計(jì)。4）、變頻器接線規(guī)范　　信號(hào)線與動(dòng)力線必須分開走線：使用模擬量信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制變頻器時(shí)，為了減少模擬量受來(lái)自變頻器和其它設(shè)備的干擾，請(qǐng)將控制變頻器的信號(hào)線與強(qiáng)電回路（主回路及順控回路）分開走線。距離應(yīng)在30cm以上。即使在控制柜內(nèi)，同樣要保持這樣的接線規(guī)范。該信號(hào)與變頻器之間的控制回路線最長(zhǎng)不得超過50m?！　⌒盘?hào)線與動(dòng)力線必須分別放置在不同的金屬管道或者金屬軟管內(nèi)部：連接PLC和變頻器的信號(hào)線如果不放置在金屬管道內(nèi)，極易受到變頻器和外部設(shè)備的干擾；同時(shí)由于變頻器無(wú)內(nèi)置的電抗器，所以變頻器的輸入和輸出級(jí)動(dòng)力線對(duì)外部會(huì)產(chǎn)生極強(qiáng)的干擾，因此放置信號(hào)線的金屬管或金屬軟管一直要延伸到變頻器的控制端子處，以保證信號(hào)線與動(dòng)力線的徹底分開。（1）、模擬量控制信號(hào)線應(yīng)使用雙股絞合屏蔽線。在接線時(shí)一定要注意，電纜剝線要盡可能的短（57mm左右），同時(shí)對(duì)剝線以后的屏蔽層要用絕緣膠布包起來(lái)，以防止屏蔽線與其它設(shè)備接觸引入干擾。（2）、為了提高接線的簡(jiǎn)易性和可靠性，推薦信號(hào)線上使用壓線端子。5）、變頻器的接地　變頻器正確接地是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，抑制噪聲能力的重要手段。變頻器的接地端子的接地電阻越小越好，接地導(dǎo)線的截面不小于4mm，長(zhǎng)度不超過5m。變頻器的接地應(yīng)和動(dòng)力設(shè)備的接地點(diǎn)分開，不能共地。信號(hào)線的屏蔽層一端接到變頻器的接地端，另一端浮空。變頻器與控制柜之間電氣相通。電氣特點(diǎn)：變頻器采用三相模塊化結(jié)構(gòu)，每一相模塊一樣，提高了維修效率。變頻器采用遙控設(shè)置修改參數(shù)，避免了開蓋設(shè)置參數(shù)，提高了使用效率。在控制方案上可以聯(lián)機(jī)控制，也可以單臺(tái)變頻獨(dú)立控制，提高了設(shè)備的利用效率。在聯(lián)機(jī)使用過程中，如果其中一臺(tái)壞了，可以通過改變控制方式，重新啟動(dòng)設(shè)備，縮短了維修時(shí)間，盡量避免耽誤生產(chǎn)。具有工頻、變頻切換功能，當(dāng)變頻器出故障，可以切換到工頻運(yùn)行，不會(huì)影響皮帶機(jī)出煤，或者別的設(shè)備運(yùn)行。、散熱方面電力電子變換器中功耗產(chǎn)生的熱量必須帶出并在環(huán)境中散發(fā)。雖然變壓器、電抗器也有功耗，但半導(dǎo)體電力開關(guān)器件產(chǎn)生的發(fā)熱問題最為嚴(yán)重，因其較小的體積嚴(yán)重限制了熱容量，其溫度很容易快速上升。高溫時(shí)半導(dǎo)體開關(guān)的電特性變壞，如最大阻斷電壓降低，關(guān)斷時(shí)間延長(zhǎng)。嚴(yán)重過熱導(dǎo)致半導(dǎo)體器件短時(shí)間內(nèi)毀壞。為防止過熱損壞，半導(dǎo)體電力開關(guān)器件必須裝有散熱器。由于防爆要求，礦用變頻器的所有電子器件封于防爆殼體的主腔內(nèi)，風(fēng)冷無(wú)法有效實(shí)現(xiàn)。如果采用水冷，則需要水循環(huán)體統(tǒng)和散熱器，體積大，礦井內(nèi)空間狹小，安裝和維護(hù)不方便。而且國(guó)內(nèi)煤礦一般處于北方，水質(zhì)偏硬，水循環(huán)系統(tǒng)很容易凝結(jié)水垢，堵塞水道，所以此種散熱方式也不宜使用。而變頻器的功率越大，防爆散熱問題越突出。解決不好，將直接影響變頻器的使用壽命和性能的穩(wěn)定性。、散熱對(duì)電子元器件的影響隨著電子技術(shù)、加工技術(shù)以及集成電路的快速發(fā)展，電子產(chǎn)品越來(lái)越多、越來(lái)越小，因此，電子元器件的散熱問題也逐漸凸顯出來(lái)，成為電子產(chǎn)品生產(chǎn)和開發(fā)的一個(gè)重要問題。電子元器件的工作溫度范圍一般是5～65℃，超過這個(gè)范圍，元器件性能將顯著下降，并且不能穩(wěn)定工作，因而影響系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。相關(guān)數(shù)據(jù)表明：電子元器件的溫度升高10℃，系統(tǒng)的可靠性能降低50%，因此，散熱問題就成為電子元件的一個(gè)重要問題?，F(xiàn)在電子產(chǎn)品正朝著越來(lái)越小的方向發(fā)展，由于電子元器件的集成度越來(lái)越高，功能也越來(lái)越大，這就使得原來(lái)具有較大尺寸的產(chǎn)品的體積大小大大的縮小，但是產(chǎn)品的發(fā)熱量卻在增加。同時(shí)，人們?cè)谶x擇電子產(chǎn)品時(shí)不再只要求其功能，而對(duì)其外觀的要求也越來(lái)越高，如果再采用原來(lái)的散熱方式很難滿足市場(chǎng)的需求，這就急需一種輕、薄、短、小、密度高，且美觀的散熱形式來(lái)滿足電子產(chǎn)品的要求，因此，元件的熱設(shè)計(jì)必須與電子元件的設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行。、IGBT簡(jiǎn)介現(xiàn)代電力電子技術(shù)已經(jīng)向著高頻大功率的方向發(fā)展，曾經(jīng)用做電力開關(guān)的半導(dǎo)體器件有：晶閘管、場(chǎng)控晶閘管、雙級(jí)型晶體管、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管、功率雙極性晶體管和功率型MOSFET等，其中功率雙極型晶體管和功率型MOSFET是比較新的半導(dǎo)體元件，但是兩者都不能做到高