1　引言 我們煤礦井下帶式輸送機、刮板輸送機、風機、水泵、絞車的電氣控制廣泛使用隔爆型交流鼠籠電動機，由于控制方式簡單，均為直接控制，對電機和機械傳動裝置造成很大的損害。近幾年，盡管可控硅交流降壓調(diào)速技術(shù)得到了一些應(yīng)用，但由于交流降壓軟起動自身起動特性較差，對電網(wǎng)的沖擊大，對移動變電站的容量要求也大，使其使用場合受到一定限制。 隨著電氣傳動領(lǐng)域發(fā)生重大的技術(shù)變革，交流調(diào)速技術(shù)獲得了飛速發(fā)展，變頻控制方式克服了以上的問題，并具有良好的調(diào)速特性和節(jié)能效果。變頻器由初期的變壓變頻（VVVF）調(diào)速方案，到目前的矢量、直接轉(zhuǎn)矩控制方案，使變頻控制不僅具有穩(wěn)態(tài)的控制特性，而且具有良好的動態(tài)性能，可以與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美，不僅解決了風機、泵類等負載的拖動，而且也解決了帶式輸送機、刮板輸送機、絞車、提升機等低速大扭矩等場合的控制。由于煤礦井下具有爆炸性氣體的特殊環(huán)境，通用變頻器不允許直接下井使用，因此，設(shè)計研制防爆變頻器非常關(guān)鍵。 2　關(guān)鍵技術(shù)思考 （1） 電壓等級 低壓通用變頻器不論是國產(chǎn)的（包括國內(nèi)組裝） ，還是進口的，一般電壓等級為220V、380V，有些廠家如西門子公司生產(chǎn)的變頻器可用于660V。目前我國煤礦普遍使用的電壓等級為660V、1140V，隨著煤礦生產(chǎn)能力的不斷提高，生產(chǎn)設(shè)備單機功率的不斷增大，防爆變頻器不僅需要大功率，其1140V工作電壓尤為需要。 （2） 防爆散熱 通用變頻器的散熱一般采用風冷或水冷方式。由于防爆要求，變頻器的所有電子器件封于防爆殼體的主腔內(nèi)，風冷無法實現(xiàn)；水冷需要水循環(huán)系統(tǒng)和散熱器，體積大安裝和維護不方便，特別對于煤礦井下的工況環(huán)境條件，此種散熱方式也不宜使用。因此，防爆變頻器的功率越大，防爆散熱問題越突出，解決不好，將直接影響變頻器的使用壽命和性能的穩(wěn)定性。 （3） 電磁兼容性 變頻器大多運行于惡劣的電磁環(huán)境，作為電力電子設(shè)備，內(nèi)部由功率器件、電子元器件及計算機芯片等組成，易受外界的一些電氣干擾，其輸入側(cè)和輸出側(cè)的電壓、電流含有不等的高次諧波，投入運行既要防止外界干擾它，又要防止它干擾外界，即所謂的電磁兼容性。防爆變頻器電磁兼容性問題解決的好壞，很大程度取決于變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)以及外圍設(shè)備運行的可靠性。 3　技術(shù)對策 （1） 功率器件的選擇 決定變頻器電壓等級的主要因素是主回路逆變電路的功率器件，主要是解決660V和1140V的電壓等級的功率器件問題。在低壓交流電動機的傳動控制中，應(yīng)用最多的功率器件有GTO、GTR、IGBT和智能模塊IPM，后兩種是目前通用變頻器中最廣泛使用的主流功率器件。特別是IGBT，其集射電壓V ce < 3V，頻率可達20kHz，內(nèi)含的集射極間超高速二極管Trr可達150ns，現(xiàn)在，采用溝道型柵極技術(shù)、非穿通技術(shù)大幅降低集電極- 發(fā)射極間飽和電壓的第四代IGBT已問世，它的開關(guān)器件發(fā)熱減少，將曾占主回路發(fā)熱50%～70%的器件發(fā)熱降低了30%，同時它是高載波控制，使輸出電流波形有明顯改善，驅(qū)動功率、體積都較以前減小。應(yīng)用此種功率器件使得防爆變頻器的性能有了很大的提高，現(xiàn)國外已有耐壓5000V、電流達1200A的IGBT，可以適用于煤礦井下1140V的系統(tǒng)。因此，只要認真對相關(guān)的驅(qū)動控制電路進行技術(shù)攻關(guān)，就能解決防爆變頻器的電壓等級問題。 （2） 防爆散熱的解決 煤礦防爆產(chǎn)品中大功率器件的散熱是一大難題，變頻器主回框路圖見圖1所示。一般變頻器的功耗為其容量的4% ～5% ， 其中逆變部分約占50% ，整流及直流回路約占40% ，控制及保護電路占10%左右。因此，需要解決如何將逆變、整流回路高發(fā)熱器件的熱量迅速有效地通過防爆殼體散發(fā)出去，保證功率器件的正常工作溫度，而熱管散熱器則是一種較為實用合理的技術(shù)途徑。 熱管是一種傳熱性極好的人工構(gòu)件，它利用“相變”傳熱的原理，與金屬銅、鋁等實體材料和天然傳熱方式完全不同。其有效導(dǎo)熱性是銅、鋁等有色金屬的成百、上千倍。熱管散熱器就是利用熱管技術(shù)對散熱器進行改進而制作出來的新品，對于雙面散熱的分立電力電子器件，風冷的全銅或全鋁散熱器的熱阻只能達到0.04 ℃/W，而熱管散熱器的熱阻可達0. 01 ℃/W。在自然對流冷卻條件下，熱管散熱器比實體散熱器的性能可提高10 倍以上。熱管散熱器可以采用自冷的方式，無需風扇，沒有噪音，免維修，安全可靠。圖2所示為采用水- 銅熱管散熱器（以水為介質(zhì)，銅為管殼材料） ，其蒸發(fā)段以壓裝方式裝入銅材制成的基座，基座平面固定功率器件，冷凝段壓裝鋁質(zhì)散熱片，形成熱管散熱器可有效地將功率器件在防爆腔體積聚地熱量傳導(dǎo)到殼體外并通過散熱片快速散發(fā)，從而就解決了較大功率防爆變頻器的散熱問題。 （3） 電磁兼容性措施 變頻器的輸入部分為整流電路，輸出部分為逆變電路，它們都是由起開關(guān)作用的非線性元件組成，在開斷電路的過程中，都要產(chǎn)生高次諧波，由于功率較大，對系統(tǒng)其它設(shè)備干擾性較強，其干擾途徑主要為傳導(dǎo)、電磁輻射及感應(yīng)耦合。為防止干擾，可從硬件和軟件兩個方面入手，硬件抗干擾的原則就是要抑制和消除干擾源，切斷干擾的耦合通道和降低系統(tǒng)干擾信號的敏感性。因此，可以采取隔離、濾波、屏蔽、接地等措施，將干擾抑制在相關(guān)標準允許的范圍內(nèi)。 1） 串接電抗器或安裝諧波濾波器 在電源輸入端串接合適的電抗器或安裝LC型諧波濾波器，以吸收諧波和增大電源或負載阻抗達到抑制諧波的目的。 2） 接地分開 通過共用的接地線傳播干擾是干擾傳播的最普遍的方式。將動力線的接地與控制線的接地分開是切斷這一途徑的根本方法，即將動力裝置的接地端子接到地線上，將控制裝置的接地端子接到該裝置的金屬外殼上。 3） 布線分離 信號線靠近有干擾源電流的導(dǎo)線時，干擾會被誘導(dǎo)到信號線上，使信號線上的信號受到干擾，布線分離對消除這種干擾行之有效。把動力電纜、控制電纜以及信號電纜分開走線，在有限的空間內(nèi)保持一定間隔，盡量增大干擾源與受擾電路間的距離。模擬量、低電平、高電平信號采用屏蔽雙絞線連接并單獨占用走線槽?？刂齐娎|最好與其主回路線以垂直的方式走線。 4） 采用變壓器隔離 采用隔離變壓器將電源與控制回路隔離，隔離變壓器可應(yīng)用具有隔離層的隔離變壓器。 5） 屏蔽 將計算機控制單元予以屏蔽， IGBT的驅(qū)動單元和控制單元之間使用光纖進行信號傳遞。 4　結(jié)語 （1） 通過分析研究，礦用低壓防爆變頻器的整體結(jié)構(gòu)需要重新設(shè)計，在保證變頻器性能的前提下，主要解決防爆散熱、電磁兼容性等關(guān)鍵技術(shù)。 （2） 目前額定電壓1140V、額定功率200kVA及以下的防爆變頻器在煤礦井下風機、帶式輸送機、絞車的控制系統(tǒng)中已得到廣泛的應(yīng)用，隨著生產(chǎn)設(shè)備單機功率的不斷增大，需要研制更大功率的礦用防爆變頻器。