浅谈矿用变频器发展趋势(1).pdf

第 4 3卷 第 1 O期 2 0 1 7年 1 O月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i n e Aut o ma t i on Vo L 43 NO ． 1 0 oc t ． 2 O 1 7 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 1 0 0 0 1 8 0 6 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 l x ． 2 0 1 7 ． 1 0 ． 0 0 4 浅谈矿用变频器发展趋势 朱 永平 ， 徐 晓建。 1 ． 中煤科 工集 团常州研 究 院有 限公 司 ，江苏 常州 2 1 3 0 1 5 ；2 ． 天 地 常州 自动 化股 份有 限公 司 ， 江苏 常州 2 1 3 0 1 5 ；3 ． 常 州信 息职 业技术 学 院 继 续 教育学 院 ， 江 苏 常州 2 1 3 1 6 4 摘 要 分 析 了矿 用 变频 器存 在 的主要 问题 研发 投入 不足 ， 价 值挖掘 不 充分 ， 对 电 网的污 染严重及 使 用维 护相 对 困难 ； 从矿 用变频 器防爆技 术 、 变频驱 动技 术和 应 用技 术等 方 面 阐述 了矿 用 变频 器 的发展 趋 势 隔爆 兼 本质 安全 型仍 是 未来矿 用 变频 器的主 流 防爆 型 式 ， 矿 用 变频 器的 防爆 X - 作将 主要 围绕 壳体优 化设 计 、 壳体 内部 环 境控 制 、 散 热技 术革 新 等方 面展 开 ； 矿 用 变频 器未 来研 究 的 重点是 中高 压 大功 率 变频 器及 新 技 术 、 新 器件 的应 用 ， 以及 变频 器 的 清洁利 用与 节能应 用。 关 键词 矿 用 变频 器 ；防爆 变频 器 ；变频驱 动 ；中高压 大功 率 变频 器 ； 发展 趋 势 中图分类 号 T D6 0 8 文献 标 志码 A 网络 出版时 间 2 0 1 7 0 9 2 7 1 3 5 1 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 7 0 9 2 7 ． 1 3 5 1 ． 0 0 4 ． h t ml De v e l o p me n t t r e n d o f mi ne f r e q ue n c y c o nv e r t e r Z HU Yo n g p i n g 一． XU Xi a o j i a n 。 1． CCTEG Cha n g z ho u Re s e a r c h I n s t i t ut e ，Cha ng z h ou 2 1 3 0 1 5， Chi n a 2 ． Ti a n d i Ch a n g z h o u Au t o ma t i o n Co ． ， Lt d ． ， Ch a n g z h o u 2 1 3 0 1 5 ，Ch i n a ；3 ． S c h o o l o f Co n t i n u i n g Ed u c a t i o n ，Ch a n g z h o u Co l l e g e o f I n f o r ma t i o n Te c h n o l o g y，Ch a n g z h o u 2 1 3 1 6 4，Ch i n a Abs t r a c t M a i n pr o b l e m s of mi ne us e d f r e q ue nc y c o n ve r t e r we r e a na l yz e d t ha t i n pu t o f r e s e a r c h a nd de ve l op m e n t i s i ns uf f i c i e n t ，v a l ue e x pl o r a t i o n i s i n a de qu a t e ，po l l ut i on t o po we r n e t i s he a v y，a nd us e a nd m a i nt e n a nc e i s r e l a t i ve l y d i f f i c u l t ． De v e l o pm e nt t r e nd s o f t h e mi ne us e d f r e q ue nc y c o nv e r t e r we r e e xp ou nd e d i n t e r m o f e xp l o s i o n pr o of t e c h no l og y， v a r i a bl e f r e qu e n c y d r i v e t e c hn ol o gy a nd a p pl i c a t i on t e c h no l o gy，na m e l y e x pl o s i on p r oo f a nd i nt r i ns i c a l l y s a f e i s s t i l l ma i n s t r e a m o f e x pl o s i o n pr o o f t yp e f o r t he m i n e u s e d f r e qu e nc y c o nv e r t e r i n t he f u t ur e，e x pl o s i on p r oo f r e s e a r c h o f t he mi n e u s e d f r e qu e n c y c o nv e r t e r wi l l f oc us e d on o pt i mi z a t i on de s i g n o f s he l l ， i nt e r na l e n vi r on m e nt c o nt r o l of s he l l ， i nno v a t i on of he a t d i s s i p a t i o n t e c hn ol o gy．Re s e a r c h f o c u s e s of t h e m i n e u s e d f r e q u e nc y c on ve r t e r a r e a pp l i c a t i o n of m i d dl e a nd hi gh p r e s s ur e a nd h i gh p owe r i n ve r t e r ， n e w t e c hn ol o g i e s a nd d e v i c e s i n t he f u t u r e ， c l e a n u t i l i z a t i on a nd e ne r gy s a v i ng o f f r e qu e nc y c on ve r t e r ． Ke y wo r d s mi ne us e d f r e qu e nc y c o n ve r t e r；e xp l os i o n p r o o f f r e q u e nc y c o n ve r t e r；v a r i a bl e f r e q ue nc y d r i ve；mi dd l e a nd hi gh pr e s s u r e a nd hi gh po we r i n ve r t e r；d e v e l o pme nt t r e nd 收稿 日期 2 0 1 7 0 5 0 5 ； 修回 日期 2 0 1 7 0 7 1 6 ； 责任编辑 张强 基金项 目 江苏省科技成果转化专项 资金资助项 目 B A2 0 1 4 0 8 3 ； 天地科技股份有限公司科技创新项 目 K J 2 0 1 4 一 C Z GF 一 0 2 。 作者简介 朱永平 1 9 7 7 一 。 男 。 江苏武进人 ， _T程 师， 工程硕士 ， 现主要从事矿用 电气产品及 变频 器设计与应用 方面的工作 ， E ma i l z h u c d c 2 6 3 ． n e t 。 引用格式 朱永平 ， 徐晓建． 浅谈 矿用 变频器发 展趋势 I- J ] ． 工矿 自动化， 2 0 1 7 ， 4 3 1 0 1 8 2 3 ． Z HU Yo n g p i n g ， XU Xi a o j i a n ．D e v e l o p me n t t r e n d o f mi n e f r e q u e n c y c o n v e r t e r [ J ． I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t i o n ， 2 0 1 7 ， 4 3 1 0 1 8 2 3 ． 2 0 1 7年 第 1 O期 朱永 平等 浅谈 矿 用 变频 器发展 趋 势 1 9 0 引言 矿 用变 频器 是针 对煤 矿井 下 高温 、 高 湿 、 存 在爆 炸性 气体 的特殊 环 境 而 设 计 的 防爆 型特 种 变 频 器 。 最初矿用变频器主要用于无极绳绞车 、 斜井绞车等 设 备 ， 用 于实 现这 类设 备 的启停 控 制及 速度 调节 ， 后 来逐渐推广应用到 中大功率的带式输送机 、 刮板输 送 机 、 局 部通 风机 、 乳化 液泵 等设 备 ， 用 于实 现 这 些 设 备 的软 启 、 软停 或调 速 。虽 然 矿用 变频 器 已经 得 到了广泛应用 ， 但现阶段仍存在不少问题需要解决。 同时， 在 目前矿用变频器行业价格竞争激烈 、 整体盈 利 能 力低 、 核 心技 术普 遍缺 乏 的情况 下 ， 矿用 变频 器 未来如何发展也值得思考 。 1矿用 变频 器存 在 的主 要 问题 1 ． 1研 发 投 入 不 足 目前 ， 国内有 大 大 小 小超 过 2 0 0个 厂 家 在从 事 矿 用 变频器 的相关 业 务 ， 但 是 真 正 具 有 变 频 核 心 技 术 的厂家却寥寥无几 ， 大多数厂家生产 的矿用变频 器 仅仅 是利 用 国 内外 专 业变 频器 厂家 生产 的通 用 变 频 器进 行 防爆 处理 后 的产 品 ， 几 乎 没 有 对 变 频器 核 心 技术 方 面 的研 发 投 入 ， 而 中高 压 变 频 器 领域 的 核 心 技术 更是 被 国外厂 家所 垄 断 。这导 致 目前市 场上 的矿用变频器产 品质量参差不齐 ， 故障率普遍偏高 ， 而 生产 厂家 又很 难 及 时 排 除 故 障 ， 给 用 户造 成 较 大 困 扰 。 1 ． 2 价 值 挖掘 不 充分 目前 ， 除 了绞 车 类 、 通 风机 、 泵 类负 载 ， 矿用 变频 器仅仅作为大型机电设备的启动设备来使用 ， 尤其 是在 带式 输送 机 、 刮 板 输 送 机 等 多 机 驱 动 的物 料 输 送领 域 ， 变频 器用 于 多机平 衡 驱动 、 负载 匹 配节 能运 行 、 张力 匹配 与效 率 提 高 等 方 面 的研 究 尚未 形 成 可 信 的成果 ， 这 方 面的应 用 与价值 尚未被 充分 挖掘 ， 或 多或 少也 影 响 了用 户 对矿 用变 频器 的需 求 。 1 ． 3 对 电网的 污染 严重 矿用 变 频 器 的 广泛 应 用 ， 解 决 了矿 井各 类 中大 功率的机电设备的启 动及调速 问题 ， 对优化生产流 程 、 降低电能消耗起到 了积极的作 用， 但是， 矿用变 频 器 的广 泛应 用也 给矿 井 电 网造 成 了较 大 的 污染 ， 主要 污染 有 高 次 谐 波 、 无 功 损 耗 、 射 频 干 扰 等n ] 。 这些污染不仅增加 了电缆、 变压器的损耗 ， 也对电网 中的其他电气设备 和仪器造成较大 的影响， 尤其是 当前行业竞争激烈 ， 各生产厂家往往 降低或忽略变 频 器 产 品在谐 波抑 制 方 面 的投 入 ， 导 致 井 下 电网 质 量普 遍较 差 。 1 ． 4 使 用 维护相 对 困难 虽然变频器技术 已经较为成熟 ， 但对于煤矿用 户来说 ， 变频器 仍属于具有较 高专业技术 的产 品。 由于 受用 户技 术水 平 的限 制 ， 加 上人 员 培 训 不 到 位 等原 因 ， 目前 ， 煤矿用 户 尚很难 自行 对变 频器 进行 维 护和 维修 ， 一旦 出现 问题 ， 大 多需要 厂家 进行 售后 服 务， 维修周期长， 影响安全生产 。 2矿用变 频器 的发 展趋 势 经过 十 几 年 的发 展 ， 矿 用 变频 器 已 经在 煤 矿 生 产 、 运输、 通风等环节得到广泛应用 ， 尤其是低压 变 频 器 ， 相 关产 品和 技 术 已 经相 对 成 熟 。矿 用 变频 器 未来研究的重点方向是中高压大功率变频器及新技 术 、 新 器件 的应用 ， 而 在 矿用 变 频 器 的 应用 方 面 ， 则 更 多是 在 变 频 器 的清 洁 利 用 与 节 能应 用 领 域 挖 掘 潜 力 。 2 ． 1 矿 用变频 器 防爆 技 术发展 趋 势 防爆 设 计是 矿用 变频器 区别 于地 面一 般型 变频 器 的最 大特 征 ， 防爆设 计 主要包 括壳体 设计 、 内部 环 境 控制 、 散热 设计 等 。 目前 ， 矿用 变频 器 的主要 防爆 型 式是 隔爆兼 本质 安全 型 E X i bⅡ ， 业 内虽有 厂 家 曾尝试正压防爆等其他 防爆型式 ， 但隔爆兼本质安 全型仍是未来矿用变频器的主流防爆型式 。矿用变 频器在防爆方面的工作将主要围绕壳体优化设计 、 壳体 内部 环境 控制 、 散 热技术 革新 等方 面展 开 。 2 ． 1 ． 1 壳 体优 化设 计 1 减小壳体尺寸。由于井下环境 的限制 ， 矿 用变频器相比地面型变频器要求有更高的功率体积 比， 在 不影 响变 频器 性能 的条 件下 ， 尽量 缩减 变频 器 的尺寸， 不但可以降低 成本 ， 也有利于现场的安装 、 调 试 和维护 。主要 的 措 施包 括 采 用 叠 层母 排 、 大容 量薄膜 电容替代 电解 电容等方式缩小变频器机芯体 积 ； 采 用模 块化 分 区隔 层 设 计 提 高 内部 空 间 的 利用 率 ； 将共整流、 多逆变 的组合式变频器用于带式输送 机 、 刮 板输 送机 等 多机 驱 动 的负荷 ， 减 小整 体尺 寸 等 。 2 机电驱动一体化 。针对电动机与变频器距 离较远的场合 ， 可采用 电动机与变频器一体化设计 ， 将变频器的防爆壳体 与电动机壳体集成到一体 ， 既 能解决变频器长距离供电带来的尖峰电压增大的问 题 ， 也可缩减整体尺寸 。但是机 电驱动一体机要求 变频器有较高的抗振 动能力 ， 同时应采用三电平整 流 或 Vi e n n a整 流等 拓 扑结 构 ， 以降 低谐 波 ， 并 缩 小 2 0 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 电抗 器 和滤 波器 的体积 。 2 ． 1 I 2 防爆 壳体 内部 环境控 制 由于绝 大多数 矿用 变频 器采 用 隔爆 或隔爆 兼本 质安 全设 计 ， 所有 的 电 气元 器 件 集 中在 有 限 的 防爆 壳体 内 ， 而变 频器 本 身 就 是较 大 的谐 波 和 电磁 辐射 干扰 源 ， 且矿 用变 频 器 普 遍 运行 在 高温 、 高湿 、 高粉 尘的井下环境， 导致变频器壳体 内部 的电磁环境和 温 湿度环 境 比较 恶 劣 ， 如 果 内部 恶 劣 的环 境 不 能有 效 防治 ， 则对 变频 器 的稳定 性 和寿命 有很 大 的影 响 。 1 电磁环 境 的防治 。针 对 变频 器 内部 复 杂 电 磁 环境 的 防治 ， 可采 取 的措 施 主要包 括 两方 面 一 是 主 动减 少干 扰 ， 采 取 滤 波 措 施 ， 优 化 P W M 脉 宽 调 制 算法 ， 以降低 尖 峰 电 压 和谐 波 含 量 等 ； 二 是 被 动 防治 ， 主要 防治措 施 包 括 强 弱 电分 区 隔离 与 分 区 布 线 、 用母 排 或叠层 母 排代替 电缆 、 缩 短动 力 回路 的长 度 、 屏 蔽敏感 元 器件 和线 缆等 。 2 内 部 温 湿 度 环 境 的 防 治 。 主要 是 针 对 温 度 、 湿 度 、 粉 尘 的 防治 。主要 措 施包 括 ① 提 高 防护 等 级 ， 如将 大面 积隔 爆 面划分 为多个 小 隔爆 面 ， 隔爆 面 增加 硅胶 密封 条 ， 对 脆 弱 元 器 件 或设 备 增 加 防 护 罩等。② 主动降温， 如在壳体内设计循环风路和散 热 通风 机 ， 以加 快 内部热 量散 发 ， 发热设 备 附件壳 体 外 部增 加散 热翅 片 ， 设 计 专 门的换 热器 如 热 管 、 水 冷换热 器 等 将 内部热 量 快速 传 导 到壳 体 外 等。 ③ 主动 除湿 ， 如在 壳 体循 环 风路 中 串联 干燥 剂 组 ， 让 高湿 的空 气不 断 通 过 干 燥 剂组 ， 此 方式 的 除湿 效 果远高于在壳内简单放置干燥剂布包的方式。 2 ． 1 ． 3 散 热技 术革 新 矿用 变频 器 中 的功 率 器 件 I GB T 在 运 行 时 ， 由 于开 关损耗 ， 器 件会 发 热 ， 一 般发 热量 为变 频器 额定 功率 的 1 ． 5 ～ 2 ． 5 。矿用 变 频 器 的 功 率 单 元 部 分 安 置在 隔爆 腔体 内 ， 常规 的风 冷 方 式 并 不利 于矿 用 变 频器 的散 热 ， 而 散 热效 果 的好 坏 对 变频 器 的性 能 和稳定 性有 较大 影 响 。改 善散 热效 果也 是矿 用变 频 器 未来 研究 的 内容之 一 。 1 散 热方式 的发展趋 势 。未 来 低 压 的 中小 功 率矿用变频器散热方式仍将 以目前主流的热管散热 方式 为 主 ； 低 压 的大 功 率 变频 器 的散 热 方 式 则将 以 外 部净 水 冷 方 式 为 主『 3 ； 中 高压 变频 器 的散 热方 式 则将 以内部循 环 的去 离 子 水 散 热 方 式 为 主 ， 再 经 热 交换 器 如 钎 焊 板 式 换 热 器 与 外 部 冷 却 水 进 行 热 交换 。 2 降低矿 用变 频器 发 热量 的措 施 。降低 矿用 变频器的发热量可以降低变频器散热方面的难度和 成本 ， 主要 措施 ① 推广 应用 三 电平 技术 ， 尤 其 是 在 低压 中大 功率 变频 器 上 ， 采 用 三 电平 技 术 和 开 关 损 耗较 低 的 低 压 I GB T， 有 利 于 降 低 整 体 发 热 量 。 ② 采用 低开关 频率 的变 频器 ， 目前 变频 器输 出 电压 的 载波 频 率 一 般 在 3 k Hz左 右 ， 开 关 频 率 越 高 ， 则 开关 损耗 越大 ， 但较 低 的开关 频率会 增 大谐波 含量 。 目前 的研 究表 明 ， 如 3 0 0 Hz的 载波 ， 采 用 优 化 的脉 冲 模 式 ，如 S HE P WM 指 定 谐 波 消 除 法 和 C HMP wM 电流谐 波最 小 法 等 ， 在 同等 功率 下 ， 可 减 少约 4 O 9 ／ 6 的发热量 ， 同时总 的谐 波 含 量 可控 制 在 标 准范 围 内_ 4 ] 。 2 ． 2 矿 用变频技 术 与应 用技 术发 展趋 势 2 ． 2 ． 1 矿用 中高 压大 功率变 频技 术 的发展 煤 矿行 业一般 习 惯称 AC 3 ． 3 k V 电压 等级 为 中 压 ， 而 AC 6 ／ 1 0 k V 电压 为高 压 。 随着 矿 井 生 产 能 力 的不 断提 高 ， 生 产 、 运输等 领域 的机 电设 备功 率越 来越大 ， 电压越来越高 ， 目前 ， 3 ． 3 k V 已成为大型矿 井 工作 面普 遍采 用 的 用 电端 电压 等 级 ， 未来 煤 矿 井 下 用 电端 电压 等 级 可 能 提 高 到 6 k V 或 1 O k V， 因 此 ， 大 功率 、 高 电压 的矿用 变频器 将会 有 良好 的发展 前景 ] 。由于 目前大功率电力电子器件的耐压等级 的 限制 ， 高 压变频 器 的主 要解 决 方 案 有 如 下几 种形 式 H 桥单 元 串联 高压 变 频 器 、 功率 器 件 直 接 串联 的 电压 型变 频器 、 功 率 器 件 直接 串联 的 电流 源 型变 频 器 、 有 源 钳 位 的 三 电平 、 五 电 平 、 九 电平 变 频 器 等 。 ] 。这些类 型 的高压 变频 器都 有较 广泛 的应 用 ， 但考虑到煤矿井下防爆设计 的要求 ， 各 自都有优缺 点 ， 大致分 析见 表 1 。 通过 以上分 析可 知 ， 未 来 随 着 高压 I GB T、 基 于 碳 化 硅 S I C ； 的 I G B T 等高 耐 压 电 力 电 子器 件 的 日 益成 熟 ， 三电平 技术 、 五 电平 技 术 将 成 为 大功 率 、 中 高 电压矿用 变频 器 领 域 的优 选 技 术 ， 而 在 地 面 通 风 机、 水泵类负荷广泛应用的 H桥单元 串联式高压变 频器 ， 由于结构 复 杂 、 体 积 庞大 、 散 热 困难 等 诸 多 缺 点 ， 并 不适 合应 用 于煤矿 井下 。 2 ． 2 ． 2 新 技术 与新 器件 的应 用 近年 来 电力 电子技 术发展 非 常迅猛 ， 新技 术 、 新 器件 不断 涌现 ， 就矿 用变 频器 的发 展来 看 ， 以下 几个 方 面 的发 展值 得关 注 。 1 永磁 同步 电动机变 频 器 的应 用 。永磁 同步 电动机 已成 为交流 传 动 中的一 颗 新 星 ， 该 电动 机 为 无刷 结构 ， 功 率 因数 高 ， 效 率也 高 ， 转 子转 速 严 格 与 电源频率 保持 同步 ， 低 速 转 矩性 能 出色 。低 速 直 联 永 磁 同步 电动 机 由于 省却 了减速 机 ， 非 常适 合 在 井 2 0 1 7年第 1 0期 朱永平等 浅谈矿 用变频器发展趋势 2 1 下刮板输送机、 带式输送 机等设备上应用 。永磁 同 步电动机的模型与传统异步电动机不 同， 电动机 的 特性不同， 变频器的内部算法也会不同， 目前国外较 为高端的变频器大多具备驱动永磁 同步电动机的能 力 ， 而国内产 品仍在不断完善 中。 2 智 能 功 率 模 块 I P M I n t e l l i g e n t P o we r Mo d u l e 的应用 。I P M 是一 种将 功 率 开关 器 件 和驱 动 电路 集成 在一 起 ， 并 在 内部 集成 过 电压 、 过 电流和 过 热等 故 障检测 电路 的集 成 功率模 块 。它 由高 速低 功耗 的管芯 和优 化 的 门极 驱 动 电路及 快速 保护 电路 构成。即使发生负载事故或使用不 当， 也可以保证 I P M 自身不受 损坏。I P M 的出现降低 了变频器开 发难度 ， 同时也有利于提高变频器 的集成度 ， 缩减体 积 ， 简化 电气结构 ， 比较适合矿 用变频器 这类对体 积、 结构要求较高的产 品。虽然 目前 I P M 的容量普 遍较小 ， 主要应用于小功率的变频器 ， 但未来将可能 应 用于 中大 功率 变频 器 。 3 新 型 I GB T 的应用 。 目前 变 频 器 的主要 功 率 器 件 为 I GB T， 未 来 随着 基 于碳 化 硅 S i C 、 锗 化 硅 S i Ge 、 磷 化 铟 I n P 等 新 材料 的 I G B T、 功 率 MO S F E T等器件 的成 熟， 将使 得变频器 在开关频 率 、 载流能力 、 耐压等级、 热损耗等方面有较大的突 破嘲， 这些新技术和器件有望在矿用变频器领域得 到 广泛 应用 。 4 异步伺 服技术 的应用。 目前 ， 矿井使用 的 主要 是异 步 电动机 ， 永 磁 同步 电动 机 虽然 已经 开 始 应用 ， 但电动机的主要作用大多为传动控制 ， 而不涉 及位 置 、 角度 等伺 服 控 制 。虽 然 应 用 于地 面 的基 于 永磁 同步 电动 机 的伺 服 电控 制 技术 已经 比较 成熟 ， 但将 同步伺服技术应用到井下设备存在成本高、 技 术难度大等问题。基于异步电动机的伺服控制技术 可应 用 于采煤 机摇 臂 、 掘进机 摇臂 控制 等领 域 ， 由于 其具 备零 速满 转矩 、 任 意角度 控制 、 低 速大转 矩等 功 能 ， 可减少齿轮机构， 取消离合器 ， 提高传动效率 。 2 ． 2 ． 3 矿用 变频器 的清洁应 用 如何 降低变频器对 电网的污染 ， 不仅关 系到变 频器产品及设备的可靠运行 ， 也关系到矿井供 电电 网的安全 ， 必须 予 以高度重视 ， 除常规 的增加 滤波 器 、 E MC抑 制器 等 手 段 ， 还 可 以从 以下 几 个 方 面 着 手解 决 。 1 控 制算法 优 化 。正 弦 波脉 宽调 制 S P WM 变压 变频 器可 以采 用 正 弦 波 脉 宽调 制 控 制 、 消 除 指 定次数谐波的 P WM 控制、 提高逆变器开关频率等 方法 ， 以降低变频器高次谐波的含量。 2 AF E 有源 前端 整流 。 目前整 流 技术 大 概 有 2种 一种是使用二极 管或可控硅的多脉 冲整流 技术 ， 另 一 种 是 使 用 I GB T 的 P WM 整 流 技 术 ， 即 AF E整流。因为开关频率高， 输入谐波很小 ， P WM 整流 的电流总谐波畸变一般 可以做 到小 于 2 ， 这 一 技 术 主要应 用 于 四象 限运 行 的变 频 器 ， 或者 用 于 2 2 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 多逆 变共 整 流 的分 布式 变频 器 。 3 Vi e n n a整 流器 的 应 用 。Vi e n n a整 流 器 是 另一 种两 象 限三 电平 P WM 整 流 器l g ] ， 一 种 典 型 的 Vi e n n a 整 流器 拓扑结 构 如 图 1 所 示 ， 主要 由 6个 快 恢 复 二 极 管 和 3个 全 控 开 关 如 I GB T组 成 。 Vi e n n a 整 流器 具 有 功 率 因数 高 、 电 流 畸 变 率 低 、 全 控 开关器 件 少 、 开 关应 力低 、 无需 设置 开关 死 区等优 点 。Vi e n n a 整流器具有 良好 的可靠性 ， 在能量单向 流动的高功率密度场合得到了广泛应用 。 VD p VDb p VDc p l 一 一 L l 一 N 一 S ／ N R f 一 一L 一 L。 i 。 S ／ 一 _ __●_ _●__ V D V D b V D 2 - 图 1 Vi e n n a整 流 器 典 型 拓 扑 结 构 Fi g ．1 Ty pi c a l t opo l o g y s t r uc t ur e o f Vi e nna r e c t i f i e r 4 三 电平 或 五 电平 技 术应 用 。三 电平 或 五 电 平技术有助于降低高次谐波， 降低 高次谐波对 电动 机的绝缘损害 ， 目前该类技术在 AC 3 ． 3 k V及 以上 电压等级的变频器领域 已经广泛应用 ， 可将此技术 推广应用至 AC 1 1 4 0 V 电压等级 的变频器 中r 1 。 。 。 5 分布 式逆 变器 应用 。利 用 大 功率 、 高 效 率 、 低 谐波 的整 流器 如 Vi e n n a 整 流器 等 ， 配 以有 源滤 波 器 、 直 流 D VR 动 态 电 压恢 复器 等 设 备 ， 在 一 个 小 范 围内构建 直 流微 网 ， 以直 流 方 式 对 该 区域 内 的多 台逆变器进行供电， 分别驱动不 同设备 。这种高效 低 谐 波 的集 中整流 模 式 ， 相 比单 一 变 频器 独 立 整 流 并 独 立处理 谐 波 的模 式 ， 具有 更高 的效 率 ， 变频器 也 从 交 一 直一 交变 成 了直 一 交逆变 器 ， 简化 了结 构 ， 降低 了总 体成本 ， 而 当有 部 分逆 变器处 于发 电状 态 时 ， 可 以直 接将 能量 反馈 到 直 流 微 网 ， 为 其 他 逆 变器 提 供 能量 ， 达 到节 能 的效 果 。 2 ． 2 ． 4 矿 用 变频器 的智 能化 设计 1 智 能诊 断 。智 能诊 断 功能 是 通 过在 变频 器 内部 增加 一个 类似 黑 匣 子 的状 态监 控模 块 实 现 的 。 该模 块全 程记 录 变频 器 运 行 过 程 中的 各类 信 息 ， 既 包括变频器输 出电流、 转矩等信息 ， 也包括变频器内 部环境参数、 重要设备温度信息、 操作记录等 ， 这些 信息可通过就地 US B接 口或 网络远程下载， 不仅有 利 于故障原因分析 ， 也利于在 日常的维护中及 时发 现 隐患 ， 提 前做 好处 置 准备 。 2 智 能 控 制 。 目前 矿 用 变 频 器 主要 是 作 为 一 个独 立 的驱 动设 备 来使 用 ， 对 变 频器 的控 制一 般 都是通过 I ／ O 口进行 简单的启停和调速控制 ， 即使 具备通信接口， 也很少以通信 的方式参与控制 。智 能控制设计 的目标就是设计高可靠性的通信 网络 ， 实现 与其 他相关 设备 的数 据交互 或多 设备 间 的智能 联动控 制 ， 比如 带式 输 送 机 的 变频 器 、 张 紧装 置 、 物 料传 感器 之 间联 动 ， 以实 现带 式输送 机在 启动 、 载荷 变化 及速 度调 节过 程 中的 张力 自动 控 制 ， 提 高 带式 输送 机运 输效 率 ， 实 现节 能运 行l 1 。 3 智能操作 。目前矿用变频器对于用户来说 仍是具有较高技术 门槛的设备 ， 对使用和维护人员 的专 业技 术要求 比较高 。智 能化操作 的 目标 主要 是 将操作流程和逻辑程序化 ， 以简单的 自动成组操作 或一键操作替代单一设备的独立操作 ， 提高操作效 率 ， 避免误操作 。同时在设计变频器时 ， 应尽量采用 模块 化结 构 ， 并 采 用 快速 接 插 件 等 方式 实 现 模 块 的 快 速更换 ， 以利于设 备 维护 。 2 ． 2 ． 5 矿用 变频器 应用 领域 的扩 展 矿 用变 频器 已经在 矿井 提升设 备 、 通风机 、 运输 设 备 、 乳 化液 泵站 等设 备上得 到广 泛应 用 ， 未 来 随着 矿 用变频 器 的不 断发展 ， 还有 望在 乳化 液 自动配 比、 采煤机与掘进机摇臂控制等更多领域发挥作用 ， 而 随着电池机车、 电池胶轮车 、 电池单轨吊等新能源运 输 设备 的应 用 ， 作 为重 要 的逆 变设 备 ， 矿用 变频 器也 将 发挥 重要 作用 。 3 结语 随着 电力 电子技 术 、 自动控 制技术 的不断发 展 、 成 熟 ， 交流 电动 机变 频 调 速技 术 取 得 了突破 性 的进 步 。矿用变频器 已经成为矿井生产、 运输等多领域 内 的重 要驱 动设 备 ， 在 煤 矿 的各 个 生 产 环 节 中 发挥 着重要作用 ， 并且被不断用于新 的应用场合 ， 改善甚 至颠 覆原有 的生产工 艺 流程 。未来 矿用 变频器 将 朝 着 大 功率 、 高 电压 、 高可靠 、 低 污染 、 高性 价 比方 面 发 展 ， 继 续推 动煤 矿生 产 的现代 化进程 。 参考文献 R e f e r e n c e s [1 ] 吕明磊． 浅谈变频器应用现状 与发展 趋势I- J 3 ． 机电信 息 ， 2 0 1 2 3 4 9 5 1 ． LYU M i ng l e i ．App l i c a t i on s t a t us a nd de v e l o pme nt t r e n d o f f r e q u e n c y c o n v e r t e r[ J ] ．Me c h a n i c a l a n d El e c t r i c a l I nf o r mat i o n， 201 2 3 49 51 ． [ 2] 张祥星 ， 杜慧 慧 ， 张连营 ， 等． 变频器 的现状 及发 展趋 势[ J ] ． 装备制造技术 ， 2 0 1 1 9 1 4 5 1 4 7 ． ZHANG Xi a ng xi ng ．DU Hui hu i ， ZHANG Li a nyi n g， 2 0 1 7年第 1 0期 朱永平等 浅谈矿用变频器发展趋势 2 3 e t a 1 ．St a t us an d de ve l op m e nt t e nde n c y o f a c o nv e r t e r ． [ J ] ． E q u i p me n t Ma n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y ， 2 0 1 1 9 1 45 1 47 ． [3] 杜 爱娟． 矿用 隔爆 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