DXP40防爆蓄电池单轨吊车中机载变频调速器应用的研究.pdf

收稿日期 2006 - 04 - 15 作者简介宁维泉1965 - ,男,山西稷山人,高级高级工程师,长期从事煤矿设备开发研制及管理工作,现任太原 矿山机器集团副总工程师。 DXP40防爆蓄电池单轨吊车中机载变频 调速器应用的研究 宁维泉 太原矿山机器集团,山西 太原 030009 摘 要文章重点介绍了DXP40防爆蓄电池单轨吊车中机载变频调速器应用的设计研究, 其中包括变频器的容量计算、变频器散热量和散热器面积的计算。 关键词防爆蓄电池单轨吊车;矿用运输机车;辅助运输机械;电牵引;单轨吊 中图分类号 TD64 2 文献标识码 B 文章编号 1671 - 095920060720081202 0 引 言 单轨吊车属于井下辅助运输设备的一种,它具有空中悬 轨运输不受巷道地质条件制约,适应性强,装卸材料方便的 特点。目前国内煤矿采用的单轨吊车都是以柴油机作为动力 源,柴油机排放的废气中,含有大量的有害气体NOx,另外 柴油机存在噪音大、起动困难、易“开锅” 、拉缸、活塞环 易卡死、气缸易进水等缺点,从维护角度来说其故障率大、 维护费用高。因此寻找和研制一种无污染、故障率低、动力 性能又好的防爆蓄电池单轨吊车就十分重要。DXP40防爆蓄 电池单轨吊车正是在此背景下,在吸收国外柴油机单轨吊机 车先进结构和技术的基础上,结合国内技术情况和使用条件 研制开发的新一代节能式单轨吊机车。该机车在国内尚属首 创,它的研制成功在技术上填补了国内井下辅助运输领域的 一项空白。笔者在本文仅对DXP40防爆蓄电池单轨吊车中 机载变频器的设计进行研究探讨。 1 机载变频调速器应用的设计研究 机载变频调速器的研究主要内容将矢量型变频器的 三相交流供电方式改为蓄电池作为动力源的直流供电方式; 将变频器的风冷冷却方式改为适用于煤矿井下要求的自然 冷却方式;为了缩小体积,满足防爆要求,剔除不必要的 功能器件;变频器引出线集成化,将变频器做成抽屉式结 构,便于维护和更换;功率电路采用IGBT模块PWM波输 出,实现回馈制动,既可给蓄电池充电,节约电能,又降 低了热耗散;采用变频控制保证了启动时转矩达到额定转 矩的150 ～200 。在电源侧、输出侧设置噪音滤波器, 浪涌吸收器、采取单点接地等措施抑制干扰,下面重点谈 谈变频器容量计算与选择及变频器散热量和散热器面积的 计算。 111 变频器容量计算与选择的依据 采用变频器驱动三相异步电动机调速,在电动机确定 以后,通常根据异步电动机的额定电流来选择变频器,或 者根据异步电动机实际运行中的电流值最大值来选择变 频器。当运行方式不同时,变频器容量的计算方式和选择 方法也不同,变频器应满足的条件也不一样。选择变频器 容量时,变频器的额定电流是一个关键量,变频器的容量 应按运行过程中可能出现的最大工作电流来选择。由于变 频器传给电动机的是脉冲电流,其脉动值比工频供电时电 流要大,因此须将变频器的容量留有适当的余量。 11111 一台变频器只供一台电动机使用一拖一 1 恒定负载连续运行时变频器容量的计算。由低频低 压起动或由软起动器起动,而变频器只用来完成变频调速 时,要求变频器的额定电流稍大于电动机的额定电流即可 IFN≥111IMN1 式中 IFN 变频器额定电流, A; IMN 电动机额定电流, A。 电动机以额定电压、额定频率直接起动时,对三相电 动机而言,由电动机的额定数据可知,起动电流是额定电 流的5～7倍。因而得用下式来计算变频器的额定电流。 IFN≥Imst/ KFg2 式中 Imst 电动机在额定电压,额定频率时的起动电 流, A; KFg 变频器的过载倍数。 2 周期性变化负载连续运行时变频器容量的计算。很 多情况下电动机的负载具有周期性变化的特点。显然,在 此情况下,按最小负载选择变频器的容量,将出现过载, 而按最大负载选择,将是不经济的。由此推知,变频器的 容量可在最大负载与最小负载之间适当选择,以便变频器 得到充分利用而又不至于过载。 18 2006年第7期 煤 炭 工 程 新 产 品 首先作出电动机负载电流图nΦ t及If t ,然 后求出平均负载电流Iav,再预选变频器的容量,Iav的计算 可采用如下公式 Iav I1t1 I2t2⋯ Ijtj⋯ t 1 t2⋯ tj⋯ 3 式中,Ij为第j段运行状态下的平均电流, A;tj为第j段 运行状态下对应的时间, s ,考虑到过渡过程中,电动机从 变频器吸收的电流要比稳定运行时大,而上述Iav没有反映 过渡过程中的情况。因此,变频器的容量按正式修正后预 选,修正后变频器的额定电流为 IFN≥111～112 I av 4 若过渡过程在整个工作过程中占较大比重,则系数 1 11～ 11 2 选偏大的值。 3 非周期性变化负载连续运行时变频器容量的计算。 这种情形一般难以做出负载电流图,可按电动机在输出最 大转矩时的电流计算变频器的额定电流,可用该式确定 IFN≥I M max/ KFg 5 式中 IMmax 电动机在输出最大转矩时的电流, A; KFg 变频器的过载倍数。 11112 一台变频器同时供多台电动机使用一拖多 除了要考虑一拖一的几种情形外,还可以根据以下二 种情况区别对待。 1 各台电动机均由低频低压起动,在正常运行后不要 求其中某台因故障停机的电动机重新直接起动,这时变频 器容量按下式计算 IFN≥IMst maxΣIMN6 式中 IMstmax 最大电动机的起动电流, A; Σ IMN 其余各台电动机的额定电流之和, A。 2 一部分电动机直接起动,另一部分电动机由低频低压 起动。除了使电动机运行的总电流不超过变频器的额定输出电 流之外,还要考虑所有直接起动电动机的起动电流,即 IFN≥ΣImstΣIMN / K Fg 7 式中,ΣImst为所有直接起动电动机在额定电压、额定频率 下的起动电流总和, A;ΣIMN为全部电动机额定电流的总 和, A。 112 变频器容量的计算与选择 11211 液压系统变频器的计算与选择 该DXP40防爆蓄电池单轨吊车液压站变频器只带一台 电机运行,属于一拖一运行,且属于恒定负载,其中液压 站电机功率为515kW ,额定电流为2516A ,根据公式 1 IFN≥111IMN111251628116A 选IFN 34A ,依据变频器相关数据可知对应变频器容 量为715kW。 11212 行走系统变频器的计算与选择 该DXP40防爆蓄电池单轨吊车行走系统变频器带六台 电机运行,属于一台变频器同时供多台电动机使用,即一 拖多,其负载变化复杂且无规律,因此变频器选取时要留 有足够的余量。其中每台行走电机功率为715kW ,额定电 流为2613A ,根据公式 6 IFN≥I Mst max ΣIMN6IMNΣIMN 626135261328913A 选IFN 300A ,依据变频器数据可知对应变频器容量 为75kW。 113 变频器散热量和散热器面积的计算 变频器的故障率随温度升高而成指数上升,使用寿命 随温度升高而成指数下降。环境温度每升高10,变频器使 用寿命就减半,因此,必须重视变频器的散热问题。根据 经验,变频器的散热量按下式计算 散热量 5 变频器的额定功率 010575 715 kW 4125W 由于煤矿井下的防爆要求,变频器必须由主动散热变 为被动散热,被动散热器是指完全依靠本身的物理性质和 外界的影响来完成能量的转移。最常见的被动散热器是由 能量传递性能比较好的金属材料,做成具有各种形状的器 件。被动散热器中,常见的材料是铝合金和黄铜,其中又 以铝合金的应用最为广泛。这是因为在金属材料中,铝合 金和黄铜的比热如果要使铝合金或黄铜升高一摄氏度,那 么他将会比铁花的时间短;或要将相同的热量传递出去, 铝合金或黄铜的速度比铁快和导热系数较高,且价钱相对 便宜。为此可将变频器的绝缘栅双极高速功率开关管IGBT 固定在黄铜板上,再将黄铜板固定在铝合金散热器上。 根据以下公式可以计算出变频器散热面积 A Q K T 1- T2 8 式中 Q 变频器散热量, W; A 散热器的表面积, m2; T1 散热器高温端温度,℃; T2 环境温度,℃; K 传热系数, W/ m2℃。 取K 100W/ m2℃,T1 70℃,T2 30℃代入公式 8得,A 1103m2。为了有利于更好的散热,在IGBT板 和黄铜板之间以及黄铜板和铝合金散热器之间都涂有导热 硅脂。 3 结 语 采用变频调速,可实现回馈制动,既可给蓄电池充电, 节约电能,又可降低热耗散,实现速度连续可调,并且可 使单轨吊车的启动转矩达到额定转矩的150 ～200 ,保 证单轨吊车启动时不下滑。 该DXP40防爆蓄电池单轨吊车中机载变频调速器己在 潞安集团漳村矿使用一年有余,其性能稳定,已满足各项 设计要求,值得在其它煤矿推广应用。 责任编辑 李振涛 28 新 产 品 煤 炭 工 程 2006年第7期