井下矿用变频器的种类及用途

魏昊

（平煤股份一矿，河南 平顶山 467000）

变频器的概念将固定不变的工频交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置，变频器是一种调速设备，驱动电动机产生动力。并根据负载和工艺要求进行调速，根据负载和应用场合的不同可以分为不同的变频器类型。风机水泵型，风机水泵属于立方型负载，一般应用在基频以下。对变频器要求不高属于最基本的机型，采用V/F控制方式。常见负载类型：市政供水泵组、压风机、鼓风机、灌溉水泵等。恒转矩型，负载大小和速度没有关系，此类负载对变频器要求较高，经常需要带负载起动所以常用到矢量型变频器。常见负载类型：电梯、提升机、机车、输送带等。

一、矿用变频器实质:矿用变频器的实质与一般通用变频器在电路构成方面没有特殊的地方。矿用时，只是要将通用变频器放置在一个特殊 密封的防爆腔体内即可，所以矿用时有关的技术知识和通用的一致，只是矿用时，要解决好对箱体的隔爆方面的技术要求，以及有关散热技术要求 和条件即可。防爆原理：钣金厚度；隔爆面；连接法兰；固定螺栓；非快开门将电气设备的带电部件放在特制的外壳内，该外壳具有将壳内电气部件产生的火花 和电弧与壳外爆炸性混合物隔离开的作用，并能承受进入壳内的爆炸性混合物被壳内电气设备的火花、电弧引爆时所产生的爆炸压力，而外壳不被破坏；同时能防止壳内爆炸 产生物向壳外爆炸性混合物传爆，不会引起壳外爆炸性混合物燃烧和爆炸。 本质安全原理：本安接线腔；本安键盘 本质安全型电路是指在规定条件下（包括正常工作和规定的故障条件下）产生的任 何电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的电路。---主要是指控制、信号、通信装置和检测仪表。外壳形状构造原理：----方形；连通腔 大量的研究和试验证明，在相同的容积，不同形状的防爆外壳中，非球形外壳的 爆炸压力比球形外壳压力低，球形最大，方形最小。另外，容积对耐爆性无影响当一个空腔里的爆炸性混合物发生爆炸时，会产生压力重叠现象，也就是当一个空腔里的爆炸性混合物爆炸时，会使另一空腔的爆炸性混合物受到压碎，会使压力增高 其他工艺要求煤安认证、防爆本安认证、美观、设计参数等。

二、电压型变频器与电流型变频器的区别；电流型变频器的直流环节采用了电感元件而得名，其优点是具有四象限运行能力，能很方便地实现电机的制动功能。缺点是需要对逆变桥进行强迫换流，装置结构复杂，调整较为困难。另外，由于电网侧采用可控硅移相整流，故输入电流谐波较大，容量大时对 电网会有一定的影响。电压型变频器由于在变频器的直流环节采用了电容元件而得名，其特点是不能进行四象限运行，当负载电动机需要制动时，需要另行安装制动电路。功率较大时，输出还需 要增设正弦波滤波器。高电流型变频器它采用GTO，SCR或IGCT元件串联的办法实现直接的高压变频，目前电压可达10KV。由于直流环节使用了电感元件，其对电流不够敏感，因此不容易发生 过流故障，逆变器工作也很可靠，保护性能良好。其输入侧采用可控硅相控整流，输入电 流谐波较大。变频装置容量大时要考虑对电网的污染和对通信电子设备的干扰问题。均压和缓冲电路，技术复杂，成本高。由于器件较多，装置体积大，调整和维修都比较困难。逆变桥采用强迫换流，发热量也比较大，需要解决器件的散热问题。其优点在于具有四象限运行能力，可以制动。需要特别说明的是，该类变频器由于较低的输入功率因数和较高的输入输出谐波，故需要在其输入输出侧安装高压自愈电容。

三、工作状态转换原则：VT1与VT3不能同时导通，它们是逻辑非的关系，驱动信号互补，同理，VT2与VT4也不能同时导通。同时，在开关管的触发控制上必须加上一定的死 区时间，防止在状态转换时使单个开关管瞬间承受直流母线电压而造成损坏；相电位不应在+Udc/2与-Udc/2直接变化，而一定要通过中心电位0的过 度，即三种工作状态的转换只能在P与O或O与N之间进行。这样避免了一相桥臂四个开关管同时导通而导致直流母线电压瞬间短路的可能；当采用SVPWM作为控制策略进行三相开关管状态变化时，应尽量减少 开关动作，具体来说就是仅使逆变输出一相进行开关动作，其他两相状态保持不变，这样有利于减少开关管的开关损耗，减少发热量；满足直流端电容间充放电的平衡。二极管箝位式三电平变频器在工作时，随着开关器件的状态转换，直流母线端的电容间不停的进行着充电或放电过程，其上的电压也不停的变化，通过合理分配电压矢量作用时间，使电容的充放电平衡，维持电容上的电压恒定，也就是使中点电位平衡。

四、三电平优势：输出电压波形更接近正弦波，输出波形失真度减小，谐波含量较小； 开关器件开关时du/dt为两电平的1/2；单个开关器件开关频率降低、损耗低； 开关器件直流侧耐压值为两电平的一半；尖峰电压约为2500V，降低对电机绝缘冲击；电机噪声更小、温升更低、可延长电机的使用寿命 输入端干扰较两电平降低20db。谐波的危害：使电源电压畸变，电压品质下降，造成线损增大；使电动机发热增大（电流谐波增加铜耗，电压谐波增加铁耗），效率下降，功率因数cosφ减小；使电动机振动增大，转速产生抖动，不稳定；电机噪声增加；谐波与电线电容谐振产生过电压，危害绝缘，耐压降低，以致造成过电压击穿，（线路长时更危险）。对电容器产生过热，增加损耗，以致产生电击穿或热击穿。干扰系统正常工作，对电子线路设备造成不稳定工作状态。备注：增加输入电抗器、增加输出电抗器、输出滤波器、不共用地线、分开供电电源（变频器、易受干扰设备）、屏蔽电缆（四芯线）、电动机外壳接地、变频器单独接地、缩短线路长度。

五、电压变化率（du/dt）和波反射：半导体器件的快速开关动作，会导致变频器的输出电压波形在上升沿和下降沿的du/dt很高。受变频器直流母线和器件开关速度两方面因素的 影响，在某些情况下，du/dt设置会超过10000V/us。输出电压过中过高 的du/dt可能导致电动机绕组之间局部放电，过早出现绝缘老化问题。另 外，过高的du/dt还会在变频器与电动机的电缆上产生电磁辐射，影响附近敏感电子设备的正常工作。更糟糕的是，由于长电缆的波反射效应，过高的du/dt会使的电动机端电压波形的上升/下降的伏值加倍。波反射现象是由阻抗不匹配引起的，即变频器和电动机端的阻抗与电缆的线路阻抗不匹配。当电缆超过一 定值时，每个开关暂态过程中，电动机侧的电压就会与反射电压叠加，达到两倍伏值。当du/dt为500V/us时，连接电缆的临界长度约为100m;当du/dt为1000V/us时，连接电缆的临界长度约为50m;当du/dt为10000V/us时，连接电缆的临界长度约为5m;

六、故障处理：变频器设有输入缺相、过流、欠压、过压、电机过热、漏电检测等故障保护，确保控制变频器安全运行。当出现上述任一故障时，变频器就进入自锁停机保护状态，显示屏显示故障内容，当故障排除后需复位（停止键）才能重新进入待机状态，如果故障没有解除则无法进行复位。下表列出了本变频器常见 的一些故障现象，并分别给出了相应的故障原因分析以及针对性的处理方法，当故障发生后，可以通过故障代码表给出的方法找出并处理故障。

总结：变频器是针对永磁同步变频电动机原理特性，采用矢量控制技术研发而成，具有启 动转矩大、启动电流小、过载能力强、对电网冲击小等特点，可在多种复杂工况下驱动 永磁同步变频电动机、三相异步电动机长期稳定运行。