高功率密度10 kV防爆高壓變頻器研制 分享:
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    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(集團)新鄉能源有限公司,河南焦作454100)


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


      近年來,隨著技術發展,煤炭行業提出了建設智慧礦山戰略,煤礦開采成套設備開始了技術升級。礦用隔爆兼本質安全型變頻器作為一種電力電子傳動自動化設備,以其優異的軟啟軟停、變頻無級調速、多機同步控制、多機轉矩和功率平衡等性能,被廣泛地應用到傳統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 等進行驅動,這種方式自動化與智能化水平不高,經常出現內部液體泄漏、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效率的提高,尋求優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安全型高壓變電變頻器BPBJV-1600/10 主要技術參數為: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安全型高壓變電變頻器的技術現狀進行了調研,總結分析后,首次提出了內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,通過采用水冷技術及復合功率單元技術,提高功率密度。最終實現了在一個外形尺寸不超過4 395 mm×1 560 mm×1 830 mm空間內滿足額定功率1 600 kW,過載功率2 400 kW的設計要求。


2 礦用隔爆兼本質安全設計
    此次研制產品是針對煤礦井下應用而研制。煤礦井下環境很復雜,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、環境潮濕甚至有滲水滴水現象;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,產品的控制端口采用了本質安全設計,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、主電路拓撲結構以及變流器所在系統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式。本次研制的礦用隔爆兼本質安全型高壓變電變頻器BPBJV-1600/10采用單元級聯式,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 種驅動模式,即1 臺變頻器驅動1 臺電機模式和1 臺變頻器驅動2 臺電機模式。這種結構為高—低—高的功率變換方式,整流移相變壓器將輸入三相10 kV電壓變為多組三相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,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。若不采用多電平結構,則必須采用器件串聯結構解決耐壓問題,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。

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                                          圖1 主電路拓撲結構圖
                                    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相移7.5°后,變壓器一次側電流是具有半波對稱性質的奇函數[2],一次側電流中的47 次以下諧波被抵消,系統的輸入電流諧波大幅減小,且輸入電流的基波因數增大,進一步提高了系統功率因數。


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。

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                                         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,冷卻系統示意圖如圖3所示。從圖3中可以看出,,外循環水采用自來水,內循環水采用去離子水,且電導率不大于0.3 μs/cm,在內水中并聯了離子交換器,在每次內水循環中,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,確保管路內冷卻時的電導率穩定且滿足設計要求。為了避免溫差過大造成的凝露現象,在內循環水的回水處設置了電動三通閥,實時檢測內循環冷卻水的水溫,通過采用滯環控制器的水溫控制器控制并調節電動三通閥的開度,可控制冷卻水的水溫在5~35℃的范圍內。


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                                              圖3 冷卻系統示意圖
                                         Fig.3 Cooling system schematic


7 試驗
    2018 年11 月,樣機研制完畢,國家安全生產上海礦用設備檢測檢驗中心按照《礦用產品安全標志審核發放實施規則——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、恒轉矩試驗、150%過載試驗、電磁兼容試驗、電能質量試驗及整機保護功能試驗,各項試驗指標完全滿足要求,溫升試驗數據如表1 所示,恒轉矩試驗數據如表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運行,運行良好,調速性能優異,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。

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                                                圖4 輸出電流波形圖
                                      Fig.4 The waveforms of output current

8 結論
    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安全型高壓變電變頻器,通過型式試驗,調速性能優異,穩定可靠,2019年4月將此變頻器應用于某煤礦進行工業運行以來,實現了優異的軟啟軟停、變頻無級調速、多機同步控制、多機轉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、降低煤礦工人勞動強度、節能減排、實現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.


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