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矿用变频器设计关键技术研究田丽（山西潞安配售电有限公司，山西襄垣046204）摘要：为保证矿用变频器的性能能够满足煤矿生产的实际需求，尤其是大型机电设备的软启动、节能运行要求，结合当前研究成果完成了矿用变频器的整体设计，包括硬件（关键功率元器件的选型）和主控制流程的设计，并结合煤矿生产的特殊性针对性地完成了矿用变频器的工艺设计和散热装置的设计，为今后变频器的升级换代奠定基础。关键词：变频器IGBT 模块导热硅脂电磁干扰中图分类号：TD63文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0123-02引言煤矿带式输送机、刮板输送机、提升机等大型机电设备属于重载运输设备，在实际生产中常遇到重载启动的工况，为解决“大马拉小车”的问题，常在大型机电设备电机驱动装置后端安装变频器，实现对重载设备的变频启动、驱动、调速等功能。近年来，在计算机技术、电力电子技术高速发展的年代，交流变频技术逐步替代传统直流工频调速，对变频器性能的要求也越来越高，尤其是对变频器在节能、无级调速以及转矩控制等方面的要求更高1。本文将根据煤矿的实际应用需求研究适用于综采工作面变频器的设计技术。1矿用变频器的整体设计变频器的核心在于对电机频率根据工况进行调节从而实现对电机（包括普通笼型异步电机和同步电动机）转速的控制，达到变频调速的目的。目前，PWM技术为实现变频、变压的新型控制技术。变频器设计时需遵循如下原则：为保证矿用变频器满足煤矿的实际工况需求且响应当前元器件国产化替代的需求，所选型的器件为国内成熟产品，便于变频器元器件的采购、维修等2；变频器的设计应尽可能采用现阶段的研究成果，从而缩短设备整体的研发周期；变频器硬件和软件的设计应满足模块化、标准化、系列化的要求；变频器设计尤其得注意煤矿的防爆性和电磁兼容性要求。基于上述变频器设计时应遵循的原则，本文所设计变频器的总体结构如图 1 所示。如图 1 所示，变频器具备电流、电压、温度检测电路，IGBT 驱动电路，CPU 数据处理电路，M波形处理电路，RS485 通信电路以及各种供电电路3。本节将在上述总体设计的基础上完成相关功率器件的选型设计和相关软件设计。1.1变频器的硬件设计变频器的硬件设计即为其关键功率器件的选型设计，设计依据为煤矿综采工作面的生产工况，具体包括有变频器主电路的设计以及 IGBT、三相整流桥、滤波电容以及缓冲电路的选型。1.1.1变频方式确定根据图 1 中变频器的总体设计框图，本工程确定采用交流-直流-交流的变频方式。基于交-直-交的变频方式可实现对线路中的信号进行整流、滤波以及逆变等功能。1.1.2变频器关键功率器件的选型IGBT模块为变频器的关键模块，其选型的主要依据为电压和电流规格。对于 45 kW的变频器而言，考虑到其过压保护系数、安全系数和尖峰电压等因素，要求所选型IGBT模块的电压规格不得小于1700V，电流规格不得小于 148 A。综上，确定 IGBT模块选用R170KE3 型，该型模块的额定电压为 1 750 V、额定电流为 200 A。三相整流桥选型的主要依据除了电压和电流基础指标外，重点关注最大正向电压和最大反向电压，其中，对于 45 kW 变压器而言，经过计算要求三相整流桥可承受的最大正向电压不得低于 465 V，可承受的最大反向电压不得低于 2 000 V。综上，确定三相整流桥的具体模块型号为 DD200-20-Io144。母线滤波电容选型的主要依据为电容值，该变频收稿日期：2022-02-24作者简介：田丽（1979），女，山西长治人，本科，毕业于淮北煤炭师范学院电子信息科学与技术专业，工程师，从事供电工作。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.047图 1变频器总体设计框图RS485操作面板温度检测直流电压检测输出电流检测32 位CPU综合诊断保护电路SPWM波驱动电路输出信号接线端子输入信号接线端子结构设计机械管理开发第 38 卷器输入的交流电电压等级为三相660V，同时满足45kW的功率要求，要求母线滤波电容的电容值不得小于3 719 F。综上所述，选用 EPCOS 的母线滤波电容，该电容的额定电容值为 6 800 F，在电路中以三串两并方式接入主电路中。1.2变频器的软件设计根据变频器在煤矿生产中所发挥的功能，对应其控制系统的程序流程如图 2 所示。2矿用变频器的针对性设计在本文“1”中根据变频器在实际生产中的工况要求，仅从基本功能层面完成了变频器的整体设计，但是为了保证其能够充分满足煤矿的生产需求，还需针对性对其工艺和功率元器件的散热器进行设计。2.1矿用变频器的工艺设计为保证变频器在煤矿恶劣的生产环境下，尤其是瓦斯浓度高、粉尘浓度高的特点，需对其壳体、零部件、走线以及安装工艺进行针对性设计。2.1.1防爆壳体的设计变频器壳体采用防爆壳体，其防爆要求满足GB/T38362000 的相关标准要求。为该变频器所设计防爆壳体如图 3 所示。2.1.2零部件局部针对性设计将防爆壳体内变频器的各类零部件包括大功率器件及其他小功率的控制板采用屏蔽层进行隔开，避免二者之间的电磁干扰所导致变频器误动作事故的发生；尽可能地缩短大功率器件的之间距离，即减小变频器的体积；将变频器的大功率器件布置于距离散热口最近的位置，保证大功率元器件的散热。2.1.3走线工艺设计为便于对变频器的维修，对变频器各元器件的连接电缆采用明显的编号进行标识；在合理分布内部空间的基础上应尽可能地缩短连接线的长度，且尽可能保证连接线走直线；将变频器防爆壳体内部强电缆和弱电缆分开走线，要求两类电缆不能平行走线，避免相互支点的电磁干扰。2.1.4变频器功率器件的安装工艺功率元器件与防爆壳体之间均布置有导热硅脂，保证二者之间的接触面平整且要求导热硅脂的涂抹厚度不得小于 10 mm；功率器件主要采用螺丝的方式固定。2.2变频器散热器的设计变频器的散热为保证其性能发挥的关键，由于变频器被封装于防爆壳体内部，采用风冷方式无法实现散热功能；而对于水冷方式而言，需要为其配套相应的水循环系统，在综采工作面空间有限且环节恶劣的条件下，采用该方式也不可行。针对煤矿变频器的特殊性，采用水-铜热管作为变频器的散热装置，具体如图 4 所示。3结语变频器为当前煤矿大型机电设备软启动、节能运行的核心设备，变频器运行的可靠性和稳定性直接决定采煤机、刮板输送机以及带式输送机等设备的稳定高效运行。为此，本文根据相关标准，基于 PWM技术完成了矿用变压器的基础功能，保证其能够满足额定功率、容量等指标满足煤矿生产；而后，根据煤矿生产的特殊性为矿用变压器设计了防爆壳体、大功率器件和小功率器件之间的距离尽可能图 2变频器控制系统主程序流程图 3防爆壳体的设计1大功率器件；2基板；3防爆壳体；4散热片；5热管图 4水-铜热管散热装置送电上电系统初始化定时向 PLC，面板发送系统状态信息控制权选择选择面板控制对系统各种工作参数设定按开机按钮变频器开始运转、并启动开机过流防失速保护运行过程中过压、过流、欠压、过热自处理保护接受 PLC或面板的数据包对控制参数更新按关机按钮停机并启动停机过压防失速保护断电停止作业12345选择 PLC控制（下转第 129 页）1242023 年第 2 期2016，48（2）：62-64；686李玉杰，吴海龙，高魁，等.张家峁煤矿综采工作面粉尘综合防治技术J.煤炭工程，2019，51（3）：74-787周刚.综放工作面喷雾降尘理论及工艺技术研究D.青岛：山东科技大学，2009.8王鹏飞，刘荣华，桂哲，等.煤矿井下气水喷雾雾化特性及降尘效率理论研究J.煤炭学报，2016，41（9）：2 256-2 262.9向晓东，陈宝智，张国权.粉尘分形几何特征及在除尘技术中的应用探讨J.建筑热能通风空调，1999，18（2）：14-17.（编辑：王慧芳）Design of High Efficiency Spraying and Dust Reduction Device for Mine ComprehensiveMining Working FaceSun Jiang（Information Management Section,Jinneng Holding Coal Group Dadougou Coal Company Limited,Datong Shanxi 037003）Abstract:In order to reduce the impact of dust on mine production and workers life safety,a high-efficiency spray dust reduction systemdevice was designed based on the mechanism of dust particle trapping by fog droplets,and the dust concentration at the header mining facebefore and after the installation of the device was compared and analysed.The results show that the dust reduction rate at eachmeasurement point has significantly increased after the adoption of the spray dust removal device,and the dust reduction rates at the coalminer driver and frame-shifter positions are 89.6%,89.4%and 89.1%and 90.1%respectively,indicating that the dust at the coal minerand frame-shifter positions,where the original dust concentration is the highest,has been effectively suppressed.Key words:spray dust removal device;fog droplet trapping dust particles;comprehensive mining face;dust reduction rate小、导热硅脂应平整且涂抹厚度大于 10 mm、水-铜热管的散热装置等。参考文献1程红，白林绪，尹相卿，等.煤矿井下 1 140 V 中压三电平变频器的设计与实现J.煤炭科学技术，2011，39（5）：76-79；36.2姚向新.乌兰煤矿主通风机变频电控系统设计J.煤炭工程，2008（8）：3.3杨岸.矿井胶带机变频调速系统的设计J.工矿自动化，2010，36（1）：101-102.4孙传余，肖林京，孙慧，等.煤矿通风机变频控制系统的开发与应用J.工矿自动化，2009（11）：4.（编辑：王慧芳）Research on the Key Technology of Mining Inverter DesignTian Li（Shanxi Luan Electricity Distribution Co.,Ltd.,Xiangyuan Shanxi 046204）Abstract:In order to ensure the performance of mining inverter can meet the actual needs of coal mine production,especially therequirements of soft start and energy-saving o