作者：徐占軍，謝小展，徐國(guó)強(qiáng)，許隨利，李瑞常
（1. 深圳市庫(kù)馬克新技術(shù)股份有限公司，廣東深圳518108）
（2. 焦作煤業(yè)（集團(tuán)）新鄉(xiāng)能源有限公司，河南焦作454100）
摘要：針對(duì)煤礦井下10 kV電壓等級(jí)的輸送機(jī)應(yīng)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(shè)計(jì)、隔爆兼本安設(shè)計(jì)、主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇、功率單元設(shè)計(jì)及器件選型及試驗(yàn)等。研制的樣機(jī)通過(guò)了第三方認(rèn)證
機(jī)構(gòu)——國(guó)家安全生產(chǎn)上海礦用設(shè)備檢測(cè)檢驗(yàn)中心認(rèn)證測(cè)試，并在某煤礦成功投運(yùn)，取得了良好的效益。
關(guān)鍵詞：高功率密度；復(fù)合功率單元；單元級(jí)聯(lián)；礦用隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變電變頻器。
近年來(lái)，隨著技術(shù)發(fā)展，煤炭行業(yè)提出了建設(shè)智慧礦山戰(zhàn)略，煤礦開(kāi)采成套設(shè)備開(kāi)始了技術(shù)升級(jí)。礦用隔爆兼本質(zhì)安全型變頻器
作為一種電力電子傳動(dòng)自動(dòng)化設(shè)備，以其優(yōu)異的軟啟軟停、變頻無(wú)級(jí)調(diào)速、多機(jī)同步控制、多機(jī)轉(zhuǎn)矩和功率平衡等性能，被廣泛地
應(yīng)用到傳統(tǒng)煤礦向智能化礦山升級(jí)改造中，極大地提高了煤礦裝備的自動(dòng)化與智能化水平。過(guò)去，在煤礦井下10 kV 電壓等級(jí)的膠
帶輸送機(jī)中，其配套的10 kV 隔爆型電機(jī)通常采用液力耦合器、CST 等進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這種方式自動(dòng)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(jī)燒毀、多機(jī)運(yùn)行時(shí)無(wú)法進(jìn)行功率平衡等問(wèn)題，維護(hù)成本居高不下，嚴(yán)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(shù)方案解決這些問(wèn)題刻不容緩。2018 年，立項(xiàng)對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了專(zhuān)項(xiàng)攻關(guān)，研制出了能夠在煤礦
井下10 kV 電壓等級(jí)的膠帶
輸送機(jī)上進(jìn)行應(yīng)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(wèn)題。
本次研制的在煤礦井下10 kV電壓等級(jí)皮帶輸送機(jī)應(yīng)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(shù)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(guò)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(xiàng)后，對(duì)煤礦井下10 kV 電壓等級(jí)的皮帶輸送機(jī)及礦用隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變電變頻器的技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)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(gè)隔爆箱體內(nèi)，通過(guò)采用水冷技術(shù)及復(fù)合功率單元技術(shù)，提高功率密度。最終實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)外形尺寸不超過(guò)4 395 mm×1 560 mm×1 830 mm
空間內(nèi)滿(mǎn)足額定功率1 600 kW，過(guò)載功率2 400 kW的設(shè)計(jì)要求。
此次研制產(chǎn)品是針對(duì)煤礦井下應(yīng)用而研制。煤礦井下環(huán)境很復(fù)雜，存在易燃易爆氣體甲烷，是一個(gè)存有爆炸性氣體的環(huán)境；煤礦井下空間
有限，對(duì)變頻器的體積有著嚴(yán)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(shí)國(guó)家相關(guān)單位針對(duì)煤礦井下應(yīng)用的電氣設(shè)備制定
了嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)。這些環(huán)境條件及因素使得地面10kV電壓等級(jí)的高壓變頻器無(wú)法滿(mǎn)足應(yīng)用要求，同時(shí)這些因素也是本次研制需要攻克的關(guān)鍵點(diǎn)。本次
研制的產(chǎn)品柜體采用了平面隔爆技術(shù)和圓筒隔爆技術(shù)，主回路輸入輸出端子采用了先進(jìn)的10 kV 高壓電纜連接器技術(shù)，產(chǎn)品的控制端口采用了本質(zhì)
安全設(shè)計(jì)，柜體防護(hù)按照IP54 設(shè)計(jì)，通過(guò)有限元分析及試驗(yàn)，本次研制的產(chǎn)品達(dá)到并超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB3836.1，GB3836.2 及GB3836.4的要求。
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(kāi)關(guān)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及變流器所在系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行綜合考慮，以找到解決問(wèn)題的方案。多電平結(jié)構(gòu)成為其中
一種具有代表性和較為理想的解決方案［1］。常見(jiàn)的電壓型多電平變頻器主要有3 種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即二極管鉗位式、電容跨接式和具有獨(dú)立直流
電源的單元級(jí)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(jí)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(fù)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(gè)原邊繞組、1 個(gè)輔助電源1 140 V繞組、24個(gè)額定電壓為690 V的繞組。復(fù)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(diǎn)，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(guò)對(duì) KM1和KM2的控制，可使變頻器輸出具
有2 種驅(qū)動(dòng)模式，即1 臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)1 臺(tái)電機(jī)模式和1 臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)2 臺(tái)電機(jī)模式。這種結(jié)構(gòu)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(jí)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(jìn)行設(shè)計(jì)，采用額定電壓為1700 V的器件即可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。若不
采用多電平結(jié)構(gòu)，則必須采用器件串聯(lián)結(jié)構(gòu)解決耐壓?jiǎn)栴}，目前單一功率開(kāi)關(guān)器件比如IGBT 模塊制造水平為耐壓6 500 V，顯然單一功率開(kāi)關(guān)器件無(wú)法滿(mǎn)
足直接10 kV電壓變換的要求。
圖1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖
Fig.1 Diagram of main circuit topology
整流移相變壓器是變頻器的關(guān)鍵器件，通過(guò)合理設(shè)計(jì)整流移相變壓器，可解決本項(xiàng)項(xiàng)目需求的變壓、消除整流產(chǎn)生的諧波、隔離等問(wèn)題。此項(xiàng)目中，
采用了48 脈波整流，相移角度為7.5°，二次側(cè)設(shè)計(jì)25 個(gè)繞組，其中24 個(gè)繞組額定電壓為690 V，給12 個(gè)功率單元供電，1 個(gè)繞組額定電壓為1140 V，
作為輔助電源。通過(guò)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(duì)稱(chēng)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(jìn)一步提高了系統(tǒng)功率因數(shù)。
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(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，首次研制了一種基于水冷的復(fù)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(guò)計(jì)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(dá)100kh。
圖2 復(fù)合功率單元的原理圖
Fig.2 Schematic of composite power unit
本次研制變頻器冷卻設(shè)計(jì)需要考慮的因素為：1）滿(mǎn)足額定功率1 600 kW，過(guò)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(gè)
功率單元需要浮地，功率單元的殼體對(duì)地要能夠承受10 kV 的共模電壓。綜合考慮，采用了水—風(fēng)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(fēng)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(lái)水，內(nèi)循環(huán)水采用去離子水，且電導(dǎo)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(guò)，冷卻水中的游離離子會(huì)被離子交換器吸附，確保管路內(nèi)冷卻時(shí)
的電導(dǎo)率穩(wěn)定且滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。為了避免溫差過(guò)大造成的凝露現(xiàn)象，在內(nèi)循環(huán)水的回水處設(shè)置了電動(dòng)三通閥，實(shí)時(shí)檢測(cè)內(nèi)循環(huán)冷卻水的水溫，通過(guò)采用滯
環(huán)控制器的水溫控制器控制并調(diào)節(jié)電動(dòng)三通閥的開(kāi)度，可控制冷卻水的水溫在5～35℃的范圍內(nèi)。
圖3 冷卻系統(tǒng)示意圖
Fig.3 Cooling system schematic
2018 年11 月，樣機(jī)研制完畢，國(guó)家安全生產(chǎn)上海礦用設(shè)備檢測(cè)檢驗(yàn)中心按照《礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志審核發(fā)放實(shí)施規(guī)則——高壓變頻器》及企標(biāo)在深圳庫(kù)馬克
電機(jī)加載試驗(yàn)室完成了溫升試驗(yàn)、恒轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)、150%過(guò)載試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)、電能質(zhì)量試驗(yàn)及整機(jī)保護(hù)功能試驗(yàn)，各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)完全滿(mǎn)足要求，溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)
如表1 所示，恒轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示，額定負(fù)載試驗(yàn)時(shí)變頻器輸出波形如圖4 所示；在上海國(guó)家安全生產(chǎn)上海礦用設(shè)備檢測(cè)檢驗(yàn)中心完成了其他試驗(yàn)（如交變
濕熱試驗(yàn)、殼體防爆相關(guān)試驗(yàn)、雷擊試驗(yàn)）；2019年2 月27 日獲得了防爆合格證書(shū)；2019 年3 月20日，獲得了礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志證書(shū)。2019 年4 月將此變頻器應(yīng)
用于某煤礦進(jìn)行工業(yè)運(yùn)行，運(yùn)行良好，調(diào)速性能優(yōu)異，膠帶輸送機(jī)的自動(dòng)化水平和智能化水平獲得提高，收到客戶(hù)一致好評(píng)。
圖4 輸出電流波形圖
Fig.4 The waveforms of output current
本次研制的適用于煤礦井下10 kV電壓等級(jí)的礦用隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變電變頻器，通過(guò)型式試驗(yàn)，調(diào)速性能優(yōu)異，穩(wěn)定可靠，2019年4月將此變頻器
應(yīng)用于某煤礦進(jìn)行工業(yè)運(yùn)行以來(lái)，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的軟啟軟停、變頻無(wú)級(jí)調(diào)速、多機(jī)同步控制、多機(jī)轉(zhuǎn)矩和功率平衡等性能，極大地提高了煤礦裝備的自動(dòng)化與
智能化水平，對(duì)保證煤礦安全生產(chǎn)、降低煤礦工人勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)能減排、實(shí)現(xiàn)少人綜采乃至無(wú)人綜采智慧化礦山的建設(shè)起到積極作用，具有廣闊的應(yīng)用前景。