大功率防爆变频器可行性研究报告

大功率防爆变频器 可行性研究报告 目录 一、承担单位基本情况 . 1 企业性质： . 1 公司规模： . 1 资产及负债状况： . 2 开发力量及设施： . 2 上年度销售收入、利润、税金、经营状况等： . 2 信用等级 . 2 风险度 . 2 是否欠息 . 2 二、项目提出的必要性及 市场分析预测 . 3 三、国内、外技术水平及发展趋势，生产现状 . 11 四、技术来源、开发研制现状及协作单位基本概况 . 19 五、项目内 容、开发方案及经济技术指标 . 20 . 20 械方面 . 20 气方面 . 24 热方面 . 28 . 33 . 35 六、项目原辅材料供应、企业公用设施配套条件； . 37 . 37 . 37 . 38 七、项目进度计划及保证措施 . 46 八、投资概算（资金使用明细表）和资金来源 . 47 九、项目财务分析 . 48 十、经济效益和社会效益分析 . 49 . 49 分析 . 49 十一、项目风险性分析及对策 . 52 . 52 . 52 . 52 . 52 . 52 十二、主管单位审核 . 53 第 1 页 共 53 页 编制提纲 （技术开发、工业性试验、高新技术产业化） 一、 承担单位基本情况 企业性质 ： 股份制 公司规模： 电气发展有限公司是太原 矿山机器集团 下属子公司，位于集团院内，占地 1000多平米，除了利用集团公司巨大的硬件和软件资源外，公司也拥有一批实践经验丰富的各类高级、中级技术人才组成的专业技术队伍，并且拥有多项技术专利，其中高 级工程师 15人，工程师 27人，技术员 20人，具有设备齐全的生产车间、组装车间和检测、实验车间，检测手段齐全，质量体系健全。公司主要致力于煤矿井下辅助运输设备和电牵引采煤机电气控制系统的配套、冶金轧制设备的开发设计和生产成套。主导产品有 频驱动系统、遥控接收发射系统、 60电牵引无级调速梭车、除尘器变频调速箱、皮带运输机等辅助运输设备，所生产的产品均已通过了国家煤矿防爆安全产品质量监督检验中心的严格审第 2 页 共 53 页 查，隔爆实验、型式试验等指标均达到设计要求，并取得了防 爆合格证书、生产许可证书和安全标志认证书。产品遍及全国 30个省、市、自治区，部分产品还远销国外，为该项目的实施奠定了强有力的基础。 公司遵照 19001000标准建立并形成文件化的质量管理体系。我们的质量方针是“顾客满意为本，职工素质为源；科学管理为先，优良品质为重”。我们的质量目标是：产品出厂合格率 100%。按质量管理体系职能分配表分解职责并有效实施、管理，以确保 避难硐室 项目设计、开发、生产、安装、服务满足顾客和法律、法规的要求，实现本公司质量方针和质量目标。 资 产及负债状况： 注册资金 1000W。 开发力量及设施： 公司现有在职职工 150 多人，包括高级工程师 25 人，工程师 50人，助理工程师 30 人，技术实力雄厚，生产组织专业化水平高。 上年度销售收入、利润、税金、经营状况等： 主营业矿用电气产品、 09 年销售收入 ，纯利润 1500 万。 信用等级 风险度 是否欠息 第 3 页 共 53 页 二 、 项目提出的必要性及市场分析预测 本项目是开发 1140爆变频器， 目前在国内煤炭行业电力电子技术已在部份矿务局得到 推广。在现代化矿井中，由于设备第 4 页 共 53 页 大型化，自动化水平较高，吨煤人工费用所占比例不大，而电费所占比例增加，要降低成本，增强竞争力，应重视利用现代调速技术节约能量，例如在风机、水泵、带式输送机等设备上实现调速。 应用高新技术改造传统煤炭工业 现代电力电子技术与电力传动技术在煤矿的应用 20 世纪 90 年代，我国已成为世界上第一大产煤国，我国煤炭资源丰富，劳动廉价，本应在国际市场竞争中占有优势，但由于技术、管理、体制等原因，大多数煤矿的劳动力效率低下。 21 世纪人类已进入 “信息时代 ”，它的特点是信息存储和快速传递。但在信 息社会中，信息不能直接制造产品，生产能源，传统产业将继续存在，而电力电子技术便成为信息产业与传统产业之间的桥梁或接口，因此，它在改造传统煤炭工业中起到举足轻重的作用。随着煤矿向大型化方向发展，设备也向大型化、大功率化方向发展，因而对电能提出了新的更高的要求。电力电子技术是借助于半导体功率器件对电能进行转换、控制和优化利用的技术。电力电子技术较早用于煤矿是矿井提升机，并且发展迅速。此外，电力电子技术在先进国家已普遍用于带式输送机的调速或带式输送机起动控制、风机调速（包括主通风机和局部通风机）和水泵的调速。上述 设备多采用现代交流调速，除了可以提高调速的性能外，更主要可以节省能源。目前我国在上述设备中采用调速技术还不够广泛，市场潜力巨大。电力电子技术能把电能从一种形式高效地转换成另一种形式，而且能对电能进行控制，在煤炭工业中有广阔的应用前景。但我国煤炭行业电力电子技术应用与先进国家相比差距大，潜力也大。 第 5 页 共 53 页 下面分别谈 变频器 在煤矿带式输送机、矿井提升绞车、乳化液泵站的应用。 一、 带式输送机 目前，变频器在国内煤矿的应用主要集中在带式输送机上。众所周知 ，皮带是一个弹性体，在静止或运行时皮带内贮藏了大量的能量，在皮带机起动过程中，如果不加设软起动装置，皮带内贮藏的能量将很快释放出去，在皮带上形成张力波并迅速沿着皮带传输出去。过大的张力波极易引起皮带被撕断。因此，煤矿安全规程规定，带式输送机必须加设软起动装置。 目前煤矿采用的软起动装置绝大部分是液力偶合器。液力偶合器虽然能部分解决皮带机的软起动问题，但与变频器驱动相比，仍具有明显的劣势：首先，采用液力偶合器时，电机必须先空载起动。工频起动时，最初的电流很大，为电机额定电流的 4。大的起动瞬间电流会 在起动过程中产生冲击，引起电机内部机械应力和热应力发生变化，对机械部分造成严重磨损甚至损坏。同时还将引起电网电压下降，影响到电网内其它设备的正常运行，因此，大容量的皮带机还必须附加电机软起动设备。其次，液力偶合器长时工作时，引起液体温度升高，熔化合金塞，引起漏液，增大维护工作量，污染环境。 第二，采用液力偶合器时，皮带机的加载时间较短，容易引起皮带张力变化，因此对皮带带强要求较高。 第 6 页 共 53 页 第三，一般的皮带机都是长距离大运量，通常都是多电机驱动，采用液力偶合器驱动，很难解决多电机驱动时的功率平衡。随着电力电子技术的 发展。 变频技术在最近二十年飞速发展，在部分煤矿企业获得了广泛应用，例如晋城煤业集团、潞安矿务局、淮北矿务局等。运用变频器对带式输送机的驱动进行改造，将给用户带来极大的社会和经济效益： 第一，真正实现了带式输送机系统的软起动。运用变频器对带式输送机进行驱动，运用变频器的软起动功能，将电机的软起动和皮带机的软起动合二为一，通过电机的慢速起动，带动皮带机缓慢起动，将皮带内部贮存的能量缓慢释放，使皮带机在起动过程中形成的张力波极小，几乎对皮带不造成损害。 第二，实现皮带机多电机驱动时的功率平衡。应用变频器对皮带机 进行驱动时，一般采用一拖一控制，当多电机驱动时，采用主从控制，实现功率平衡。在晋城煤业集团王台二号井顺槽皮带为220060V 电机驱动，采有主从控制后，轻载时主从电机电流相差 5A 左右，满载时相差 2A 左右。 第三，降低皮带带强。采用变频器驱动之后，由于变频器的起动时间可在 1S 3600S 可调，通常皮带机起动时间在 60S 200S 内根据现场设定，皮带机的起动时间延长，大大降低对皮带带强的要求，降低设备初期投资。 第四，降低设备的维护量。变频器是一种电子器件的集成，它将机械的寿命转化为电子的寿命，寿命很长 ，大大降低设备维护量。同第 7 页 共 53 页 时，利用变频器的软起动功能实现带式输送机的软起动，起动过程中对机械基本无冲击，也大大减少了皮带机系统机械部份的检修量。如晋城煤业集团王台二号井顺槽皮带采用变频器驱动后，仅皮带扣一项年节约费用就达一万多元。 第五，节能。在皮带机上采用变频驱动后的节能效果主要体现在系统功率因数和系统效率两个方面： 1） 、提高系统功率因数通常情况下，煤矿用电机在设计过程中放的裕量比较大，工作时绝大部分不能满载运行，电机工作于满电压、满速度而负载经常很小，也有部分时间空载运行。由电机设计和运行特性知道，电机 只有在接近满载时才是效率最高、功率因数最佳，轻载时降低，造成不必要的电能损失。这是因为当轻载时，定子电流有功分量很小，主要是励磁的无功分量，因此功率因数很低。采用变频器驱动后，在整个过程中功率因数达 上，大大节省了无功功率。 2)、提高系统效率采用变频器驱动之后，电机与减速器之间是直接硬联接，中间减少了液力偶合器这个环节。而液力偶合器本身的传递效率是不高的，并且液力偶合器主要是通过液体来传动，而液体的传动效率比直接硬联接的传动效率要低许多，因而采用变频器驱动后，系统总的传递效率要比液力偶合器驱动的效率 要高 5% 10%。另外，矿井通常离变电站距离较远，不同时段电压波动较大，利用变频器的自动稳压功能，也有部份节能作用。综上所述，采用变频器这种技术来改造传统的带式输送机驱动系统，不仅在技术的先进性还是带来的社会及经济效益方面都是巨大的，随着社会的发展，最终在带第 8 页 共 53 页 式输送机的驱动上变频器将取代液力偶合器的主导地位，在晋城煤业集团、潞安、淮北矿业集团的大量应用案例已证明了这一点。 目前，矿井提升设备是沿井筒提升煤炭、矿石、升降人员和设备、下放材料的大型机械设备。它是矿山井下生产系统和地面工业广场相联接的枢纽，是矿山运 输的咽喉，因此，矿井提升设备在矿井生产的全过程中占着极其重要的地位，其安全可靠尤为突出。在矿井生产过程中，如果提升设备出了故障，必然造成停产。轻者，影响煤炭产量，重者，则会危及人身安全。此外，矿井提升设备是一大型的综合机械 电气设备，其成本和耗电量比较高，所以，在新矿井的设计和老矿井的改建设计中，确定合理的提升系统时，必须经过多方面的技术经济比较，结合矿井的具体条件，保证提升设备在选型和运转两个方面都是合理的，即要求矿井提升设备具有经济性。传统的提升系统中，电机的调速方式为电机转子串电阻分级调速。随着电力 电子技术的发展，电机转子串电阻分级调速的方式其弊端越来越明显： 第一、控制精度差。采用电机转子串电阻调速，属于有级调速，在不同速度段的切换中存在速度跳跃，其控制比较粗糙，定位不准确。 第二、工作可靠性不高。由于在电机转子侧串接的电阻很多，而在分段调速过程中通常采用接触器短接上一级电阻，接触器的寿命主要体现在它的机械部份的寿命，众所周知机械部分的寿命比电子式的寿命要短许多，有时因电流过大，致使接触器的触点粘在一起，无法实现切换，从而造成超速等事故发生，严重影响系统工作的可靠性。 第 9 页 共 53 页 第三、维护工作量大。由于采用接 触器对电阻进行分段切换，因此必须经常对接触器进行维护，大大增加了维护人员的工作强度。 第四、耗能。电机转子串电阻调速是一种转差功率消耗型的调速方式，在整个调速过程中，大量的电能被消耗在电阻上，非常不经济。 第五、稳定性较差。电机转子串电阻调速，当在低速段运行时，稳定性差。因为转速越低，特性越软，负载转矩波动时，引起的转速变化越大，使运行稳定性差。随着电力电子技术的发展和变频技术的成熟，国家明文规定，在提升较车系统中，推荐使用交流变频调速器。 采用交流变频大调速器对提升绞车进行驱动具有如下优势： 第一，控制精 度高。通常变频器都采用磁通矢量控制，使得交流电机的调速性能与直流电机几乎相等，控制精度非常高。 第二，工作可靠性高。变频器采用的是电子器件，寿命长，且具有完善的保护功能，用于提升绞车控制时，其可靠性很高。 第三，基本无维护工作量，减低了维护人员的工作强度。 第四，调速范围宽广，属于无级调速，低速时稳定性好。 第五，节能。变频器属于转差功率不变型的调速方式，在整个调速过程中其节能方式表现为两个方面： 1、提升状态的节能当提升绞车处于向上提升状态时，电机工作于电动状态，由于提升绞车属于恒转矩负载，其转速降低多大 比例节能就为多大比例。 2、下放状态当提升绞车处于下放状态时，此时电机工作于发电状态，将势能转化为电能。 第 10 页 共 53 页 如果变频器采用的是能量回馈型变频器，变频器将会把这种电能回馈回电网。西山焦煤集团西铭矿一台无极绳绞车采用变频改造后，其节能效果达 30%左右。此变频器为能耗制动型，如果采用能量回馈型，其节能效果将更好。煤矿企业中有许多提升绞车，采用变频改造后，其节能效果将十分明显，现在，许多新上的绞车系统均已采用变频驱动。乳化液泵站乳化液泵站主要为液压支架提供恒定的液体压力。平时液压支架基本不动，但乳化液泵仍长时工作，耗 能巨大。如果采用变频驱动，采用压力传感器形成闭环恒压控制，当移动液压支架时，乳化液泵提高液体流量，维持变力不变；当不移动液压支架时，乳化液泵提供小流量液体维持压力不变，实现恒压控制。采用变频器驱动乳化液泵，节能效果明显。山东淄博矿务局埠村煤矿井下一台5560V 变频器用于乳化液泵，经测算，其节能效果达 50%左右。另外，采用变频器之后，降低了电机和泵的转速，对机械部份的磨损将减小许多，延长了设备检修期。另外，在部分煤矿，主扇也已采用了变频技术，例如宁夏煤业集团等，但目前变频器在煤矿的应用主要还是集中在皮 带机和绞车上。随着技术的发展，相信变频技术将象国外发达国家一样在煤矿得到广泛应用！ 目前国内煤矿用变频设备基本采用的基本上是少数国外厂家专门为中国市场生产 1140V 的产品。产品价格十分昂贵，备件难，售后服务 也存在着很大问题。所以大功率防爆变频器的研究及其具有市场潜力。 第 11 页 共 53 页 三、国内、外技术水平及发展趋势，生产现状 根据我国交流电机电压等级的规定， 3610压等级的电机称为高压电机，用于这类电机调速的变频器称为高压变频器，国外对此电压等级的变频器称为中压变频器 (本 文亦把此类电压等级的变频器称为中压变频器 );在功率方面，我国一般以 300功率分第 12 页 共 53 页 界线， 300下称为中小功率， 300W 以上的容量称为大功率。因此，此方面的研究称为中压大功率变频的研究。 1、变频器的现状 我国 50% 60%的发电量用于交流电动机，而容量在 3定电压一般为 3 100% 50%。由于我国中压变频技术仍没有形成产业化，落后于国外发达国家，因此这部分电动机在负载工况变化时，缺少经济可靠的调速手段，每天都在浪费着大量的电能 ，因此国内潜在着巨大的中压大功率变频器市场。国家计委预计在今后十五年内，使我国变频器总需求的投资额在500 亿元以上，而其中 60% 70%是中压大功率变频器。我国的高压变频器市场具有其特殊性，包括：（ 1）行业性很强，主要集中在冶金、电力、供水、石油、化工、煤炭等行业。在工业用电中石油、煤炭等能源行业耗电占 化工占 冶金占 机械建材占 供水占 （ 2）目前全国各行业中，只有少数企业的高压电机使用了调速方式，市场空白点多。（ 3）高压变频器属投资类设备，主要 用于节能和改善生产工艺。用户是否购买此类设备与政府的政策导向关系很大。如政府推广力度较大，市场启动会快一些，反之则慢。另一方面市场还受国际、国内经济大环境的影响以及国内某些行业的整体经济效益好坏的影响。因此在未来市场发展过程中仍存在着一些不确定的因素。（ 4）海外公司的知名品牌产品大举进入我国市场的可能性较大，各方应有所准备。 第 13 页 共 53 页 交一交变频是早期变频的主要形式，适应于低转速大容量的电动机负载。其主电路开关器件处于自然关断状态，不存在强迫换流问题，所以第一代电力电子器件 晶闸管就 能完全满足它的要求。由于其技术成熟，在国内开发研制也最多，目前在国内仍有一定的市场。交一交变频在其主接线中需要大量的晶闸管，结构复杂，维护工作量较大，并因采用移相控制方式，功率因数较低，一般仅有 且谐波成分大，需要无功补偿和滤波装置，使得总的造价提高。 交一直一交变频采用了多种拓扑结构，如中一低一中方式，其实质上还是低压变频，只不过从电网和电动机两端来看是高压。由于其存在着中间低压环节，所以具有电流大、结构复杂、效率低、可靠性差等缺点。由于其发展较早，技术也比较成熟，所以目前仍广泛应用。随着 中压变频技术的发展，特别是新型大功率可关断器件的研制成功，中一低一中方式具有被逐步淘汰的趋势。而直接中压变频方式，因没有中间的低压环节，结构上有着广阔的发展前景。 变频器的逆变器普遍采用大功率场效应管 功率晶体管关断晶闸管 的自关断元件，其中 用最为普遍。但是在调制策略发展和要求逆变器输出谐波分量更小的情况下，必须提高开关频率，为此， 足不了这个要求，于是开发出了一种新元件 全称是绝缘栅双极晶体管，是一种把 合器件， 有输入阻抗高、开关速度快、元件损耗小、驱动电路简单、驱动功率小、极限温度高、第 14 页 共 53 页 热阻小、饱和压降和电阻低、电流容量大、抗浪涌能力强、安全区宽、并联容易、稳定可靠及模块化等一系列优点，是一种极理想的开关元件。目前，电流 2400A、电压 3300V、开关频率 40 在小、中、大功率范围内使用。 仅用于 500V 以下低压变频器，还可以用于 上高压变频器以驱动高压电动机。此类中压、高压变频器采用多电平逆变器输出高压，也可用变压器降压低压变频器一变压器升压的方式。 由于 计近十年内不会被新开发的元件所取代。 2、变频器的技术发展动向 单元串联多电平形式在谐波、效率和功率因数等方面存在着优势，在不要求四象限运行时有着较广泛的应用前景。其中三电平控制具有许多优点，包括：（ 1）采用三电平拓扑能有效地解决电力电子器件耐压不高的问题，适用于高电压大功率。（ 2）三电平拓扑单个桥能输出三种电平（ +、 、 0），线（相）电压有更多的阶梯来模拟正弦波，使输出波形失真度减少，谐波大大减少。（ 3）多级电压阶梯波减少了 du/得对电机绕组绝缘冲击减小。（ 4）三电平 法把第一组谐波分布带移至 2 倍开关频率的频带区，利用电机绕组电感能较好地抑制高次谐波对电机的影响。采用三电平法，每个功率单元的 00每相 5 个功率单元串联时，等效的输出相电压开关频率为 6以降低开关损耗，提高变频器效率，这种变频器可适用于任何普通的高压电动机，第 15 页 共 53 页 且不必降额使用。虽然采用这种主电路拓扑结构会使器件的数量增加，但由于驱动功率下降，开关频率较低且不必采用均压电路，使系统在效率方面仍有较大的优势，一般可达 97%。并且，由于采用模块化结构，所有功率单元可以互换，维修也比较方便。（ 5）三电平拓扑能产生 3 3 3=27 种空间电压矢量，可以带来谐波消除算法的自由度，可以得到很好的输出波形。 在电力电子技术及应用装置向高频化发展的今天，系统中特别是连接线的寄生参数产生巨大的电应力，己成为威胁电力电子装置可靠性的重要因素。从直流储能电容至逆变器的器件之间的直流母线上的寄生电感在通常的硬开关逆变器中，由于瞬时切换时的过电压，会使器件过热，甚至有时使逆变器失控并超过器件的额定安全工作区而损坏，限制了 开关工作频率的提高。功率母线按其结构包括： （ 1）电缆绞线是最常用的传统功率母线，价廉简易，但在 于电缆线的自感大，与圆截面导线相比，扁平母线的自感只有圆导线的 1/3 一 1/2，而所占的体积只有它的 1/10一 1/2。 （ 2）印刷电路板母线主要用于小电流逆变器，但当母线直流电流达到 150求电路板的复铜层很厚，造价太高，另外用来连接多层导线板的穿孔不但占据较大的空间，而且会影响整机的可靠性。 （ 3）裸铜板母线（平面并行母线）是一种工业上广泛应用的 缺 点是并行母线的互感较大。 第 16 页 共 53 页 （ 4）支架式母线如果将正直流母线铜板放置在负直流母线板上方，中间用一层薄绝缘材料隔开的方法来制作母线，由于磁场的相互抵消，可以最大限度地降低互感，但其工艺复杂，不宜规模化生产。 基于上述几种功率母线都存在着不同的缺点，为此开发出了迭层功率母线。迭层功率母线是基于电磁场理论，把连线做成扁平截面，在同样的截面下，做得越薄越宽，它的寄生电感越小，相邻导线内流过相反的电流，其磁场抵消，也可使寄生电感减小。迭层功率母线是以又薄又宽的铜排形式迭放在一起，各层之间用很薄的高绝缘强度的材料热压成 一体，整个母线极之间的距离均匀一致，以减少互感，各层铜排都在所需要的端子位置处同其他层可靠绝缘地引出，使所具有不同电位的端子表露在同一平面上，以便于把主电路中的所有器件与之相连。这种整体的迭层功率母线结构，可承受数百千克的切应力，其导电极之间可承受数千伏的电压。使用迭层功率母线将 整流管等模块、散热器、电容器及栅极驱动电路组合在一起，迭层功率母线与器件之间的连接是用不同的端子和插接件等来完成的，使相连接的接触表面与母线之间的接触电阻非常小，也使得寄生电感成数量级地减小，从而使 过电压应力 降至最低，保证电力电子装置工作在最佳状态。 采用微机控制技术可以对变频器进行控制和保护。在控制方面：（ 1）计算确定开关元件的开通和关断时刻，使逆变器按调制策略输出要求的电压。（ 2）通过不同的编码实现多种传动调速功能。如各第 17 页 共 53 页 种频率的设定和执行、启动、运行方式选择、转矩控制设定与运行、加减速设计与运行、制动方式设定和执行等。（ 3）通过接口电路、外部传感器、微机构成调速传动系统。在保护方面，在外部传感器及I/0 电路配合下，构成完善的检测保护系统，可完成多种自诊断保护方案。保护功能包 括：（ 1）主电路、控制电路的欠压、过电压保护；（ 2）输出电流的欠电流、过电流保护；（ 3）电动机或逆变器的过载保护；（ 4）制动电阻的过热保护；（ 5）失速保护。 采用人工智能技术对变频器进行故障诊断，构成故障诊断系统，该系统由监控、检测、知识库（故障模式知识库或故障诊断专家系统知识库）、推理机构、人机对话接口和数据库组成，不仅在故障发生后能准确指出故障性质、部位，且在故障发生前也能预测发生故障的可能性。在变频器启动前对诊断系统本身及变频器主电路（包括电源）、控制系统等进行一次诊断清查隐患。若发现故障现象则调用知识库推理、判断故障原因并显示不能开机，如无故障则显示可以开机。开机后，实时检测诊断。工作时对各检测点进行循环查询，存储数据并不断刷新。若发现数据越限，则认为可能发生故障，立即定向追踪。若几次检查结果相同，说明确实出了故障，于是调用知识库进行分析推理，确定是何种故障及其部位，显示出来，严重时则发出停机指令。 近年来，国内外一些公司都在研制新型 “ 无电网污染 ” 的高压变频器。据报道，这类变频装置具有高功率因数、高效率、无谐波污染、无需专用电机等优点，采用了多项先进技术： 第 18 页 共 53 页 （ 1）在变频器的逆 变器直流侧通过曲折变压器移相实现 30“ 脉波整流，使装置的谐波抑制能力大大加强，使电网侧电压与电流之间几乎无相移，因此功率因数可以接近于 1。 （ 2）将全数字化光纤控制技术应用于变频器，使其控制柔性和可靠性大大提高。 （ 3）功率单元标准模块化、 动电路智能化。 目前我国煤矿普遍采用的电压等级为 660V、 1140V。随着煤矿生产能力的不断提高，生产设备单机功率的不断增大，防爆变频器的容量也不断提高，越来越多的设备采用 1140V 这一电压等级。而 1140以通用变频器，无论 是国产的，还是进口的，一般电压等级为 220V， 380V，也有一些厂家如西门子公司生产的变频器可用于 660V。国外产品工作电压高于 660V 后，一般采用 6000V 电压。而国内在矿用防爆变频这一领域的研究还不成熟。所以目前国内煤矿用变频设备基本采用的基本上是少数国外厂家专门为中国市场生产 1140V 的产品。产品价格十分昂贵，备件难，售后服务也存在着很大问题。 所以大功率防爆变频器的研究及其具有市场潜力。 第 19 页 共 53 页 四、技术来源、开发研制现状及协作单位基本概况 该项目依靠自身的开发实力，我公司在 防爆变频领域有着将近数十年的开发经验，完全有能力开发出此类产品，目前整个方案已经定型，正在绘制防爆箱体的机械图。 第 20 页 共 53 页 五、 项目内容、开发方案及经济技术指标 目内容 本项目是开发 1140爆变频器， 本课题的研究 内容 主要有以下 三方面 ： 械方面 1）、 防爆变频器 的防爆技术要求 防爆变频器 按防爆型式分为矿用隔爆型“ 矿用隔爆兼本质安全型“ 本课题研究的 变频 器为隔爆兼本质安全型。型第 21 页 共 53 页 号按 规定，基本参数： 额定电压： 1140V；额定电流：符合 762规定（除非产品标准另有规定 )；额定频率：50 2）、变频 器外壳 具备 耐爆性和隔爆型结构 隔爆外壳属电气设备的一种防爆型式，其外壳能够承受通过外壳任何结合面或结构间隙渗透到外壳内部的可燃性混合物在内部爆炸而不损坏，而且不会引起外部由一种、多种气体或蒸汽形成的爆炸性环境的点燃。隔爆外壳的防爆型式通常称为隔爆型，用字母“ d”表示。隔爆型电气设备的要求之一是设备外壳必须具有耐爆性 ， 实际就是外壳的强度问题。当隔爆外壳内部发生爆炸时 ， 应使其不发生变形和损 坏 ,不致使爆炸火焰直接点燃矿井中的瓦斯混合物 ， 从而达到耐爆要求 ,它是由外壳的材质和机械结构强度来保证 。 因此 ， 外壳应有足够的坚固性 ， 以及外壳在热源的作用下 ， 经烧灼及过热不会受到损伤。外壳的隔爆性 ， 又称不传爆性 ， 它是隔爆型电气设备的一个重要因素。所谓隔爆性就是要求外壳各个部件的连接要符合一定的隔爆构造参数 ， 而使其在下列情况下不能点燃周围爆炸性介质 :当电气过载或短路 ， 引起壳内的油或有机绝缘物分解生成的可燃性气体爆炸 ， 其火焰传出外壳时 ， 由于隔爆构造参数对弧光短路目前还无法达到隔爆要求 ， 因此只能在电气方面加强绝缘 ， 保 证质量 ， 或采用迷宫式结构。如电缆用电子管式的保护方法来达到防爆目的或者严格控制瓦斯的浓度。这些都是外壳内可能出现的最危险情况 ， 如果把它限制在外壳内部 ， 不让它波及到壳外 ， 或者虽然冲出了火焰和灼热的金属颗粒 ，第 22 页 共 53 页 但已被冷却 ， 就能有效地防止周围可燃性瓦斯的爆炸。所谓不传爆性 ，就是甲烷空气混合物在外壳内部爆炸时 ， 向外喷出的火焰 ， 不会引起壳外可燃性气体的爆炸。它是由外壳的结构 ， 即通过外壳装配接合面的宽度、间隙和表面加工光洁度来实现的。这种接合面可以是法兰盘对口式 ， 也可以是圆筒或活动式的装配。 防爆 变频器 外壳采用快开门结构 ，其隔离开关与隔爆外壳之间装设可靠的机械连锁，保证只有当隔离开关处于断开位置时，主腔才能打开；当主腔打开后，以正常的操作方法不能使隔离开关闭和。隔爆接合面指隔爆外壳不同部位相对应的表面配合在一起（或外壳连接处 )且火焰或燃烧生成物可能会由此从外壳内部传到外壳外部的部位。外壳接合面宽度又称火焰通路长度指从隔爆外壳内部通过接合面到隔爆外壳外部的最短通路长度。隔爆间隙指隔爆接合面相对应表面之间的距离。 防爆变频器 隔爆接合面间 隙， 接合面宽度和表面粗糙度应符合 五章的要求 ， 接合 面表面平均粗糙度 无论是长期关闭或是经常打开的外壳其所有接合面均应符合标准中规定要求 ， 接合面表面应进行防腐处理 ,但通常不允许使用漆或类似材料涂覆 ,除非已证明该材料和涂覆工艺不会影响隔爆性能。对于 I 类电气设备，应能直接或间接检查经常打开的门。 隔爆外壳应能承受标准中规定的内部试验压力而不发生损坏或引起外壳结构强度降低或接合面处间隙产生永久性增大使其超过表中规定间隙值的变形。根据规定， I 类设备的外壳材质应符合附录 采掘工作面用电气设备的外壳须采用钢板或铸钢制第 23 页 共 53 页 成。要求软起动器外 壳能承受外壳耐压试验和内部点燃的不传爆试验。外壳耐压试验的目的是证明外壳能否有效的承受内部爆炸，外壳应在带有全套内部装置或在该位置上装有等效作用的物体状态下进行试验，但是外壳若设计成在拆去内部部分装置后仍能使用时，则应在检验单位认为最严酷的条件下进行试验，试验时，若外壳未发生损坏，也未发生永久变形，则认为试验合格，在接合面的任何部位都不应有永久性的增大。此外，隔爆外壳应经得起过压试验，包括静压和动压试验。静压试验试验压力应为参考压力的 ，压时间应为 10s。对于容积大于 10不经受出厂试验的外壳，试验压力应为参考压力的 4 倍。如果已知参考压力，则进行动压试验时可使外壳承受的最大压力为参考压力的 。压力上升速度不应与测定参考压力时的上升速度差别太大。特殊情况下可以通过预压用于测定参考压力的爆炸性混物进行试验。 内部点燃的不传爆试验是将外壳放置在一个试验罐内，外壳内和试验罐内应充以相同的爆炸性混合物进行试验。外壳内的混合物应采用一个高压火花塞或其他低能点燃源来点燃。另外，若外壳内装有能点燃爆炸混合物的开关装置时，可用该装置来点燃。如果点燃没有传到试验罐内，则认为试验结果是合格 的。 I 类使用的爆炸性混合物及其与空气的体积比应符合表中规定即甲烷 58%氢 24%。试验次数至少 5 次。 本装置防爆性能试验属型式试验项目，外壳静压试验属出厂检验项目。外壳在精加工后应进行压力为 1静压试验，历时 10+20s，第 24 页 共 53 页 试验以无结构损坏或可能影响隔爆性能的永久变形为合格。 3）设计原则： 1）防爆箱体要求体积小，致使可以利用的容积小，要求变频器的控制系统，主功率元件等的体积必须紧凑； 2）紧凑的结构，使功率元件和控制系统靠的很近，要求解决好系统的强弱隔离问题，特别是控制系统的抗干扰问题必须很好解决； 3）防爆箱体的密封性，要求解决好变频器的功率元件的散热问题。 这些问题之间的相互关联性要求在解决单个技术上的问题时，还必须充分考虑到它的各个制约要素，而不可顾此失彼。 气方面 1）原理 变频调速原理 n 60f（ 1 s） /p（ 1） 式中 n 异步电动机的转速； f 异步电动机的频率； s 电动机转差率； p 电动机极对数。 由式（ 1）可知，转速 n 与频率 要改变频率 频率 50动机转速调节范围非常宽。变频 调速就是通过改变电动机电第 25 页 共 53 页 源频率实现速度调节的。 变频器主要采用交 直 交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制 4 个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为 相桥式逆变器，且输出为 形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。 电 机I G B T 逆 变 器滤 波 器三 相 半 控 桥电 源 板主 控 板可 控 硅 触 发 板I G B T 推 动 板I G B T 控 制 板远程显示盘A 波干扰 由于变频器逆变输出的电压（或电流）波形并不是标准的正弦波行，而是 存在着很多奇数谐波。这些谐波，尤其是低次谐波对负载产生很第 26 页 共 53 页 大危害。主要体现在下面几个方面：对逆变器的开关器件和负载产生附加的谐波损耗，降低了逆变效率；谐波还能影响负载用电设备的正常工作，谐波对电动机的影响除了可引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器铁损增大而发热，使电容器、电缆等过热，绝缘老化，寿命缩短，以至损坏；谐波会导致机电保护和自动装置的误动作，并使电器测量仪表不准确；会对临近通讯系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作，这一点在煤矿矿井中的应 用是会产生很严重的后果。 3）、浪涌电压问题 在逆变器进行换向过程中，或者开关器件关断时，其电流迅速变化，而在线路杂散电感上产生很高的感应电压加在开关器件上，可能使开关器件损坏。而线路的杂散电感不仅无法去除，而且很难估计其确定值，所以其诱发的浪涌电压也很难预先估计。 4）、 变频 器接线规范 信号线与动力线必须分开走线：使用模拟量信号进行远程控制变频器时，为了减少模拟量受来自变频器和其它设备的干扰，请将控制变频器的信号线与强电回路（主回路及顺控回路）分开走线。距离应在 30上。即使在控制柜内，同样要保持 这样的接线规范。该信号与变频器之间的控制回路线最长不得超过 50m。 信号线与动力线必须分别放置在不同的金属管道或者金属软管内部：连接 变频器的信号线如果不放置在金属管道内，极易受到变频器和外部设备的干扰；同时由于变频器无内置的电抗器，所第 27 页 共 53 页 以变频器的输入和输出级动力线对外部会产生极强的干扰，因此放置信号线的金属管或金属软管一直要延伸到变频器的控制端子处，以保证信号线与动力线的彻底分开。 （ 1）、 模拟量控制信号线应使用双股绞合屏蔽线，接线时一定要注意，电缆剥线要尽可能的短（ 5右），同时对剥线以后的屏蔽层要用绝缘胶布包起来，以防止屏蔽线与其它设备接触引入干扰。 （ 2）、 为 了提高接线的简易性和可靠性，推荐信号线上使用压线端子。 5）、变频器的接地 变频器正确接地是提高系统稳定性，抑制噪声能力的重要手段。变频器的接地端子的接地电阻越小越好，接地导线的截面不小于4度不超过 5m。变频器的接地应和动力设备的接地点分开，不能共地。信号线的屏蔽层一端接到变频器的接地端，另一端浮空。变频器与控制柜之间电气相通。 电气特点： 1、 变频器采用三相模块化结构，每一相模块一样，提高了 维修效率。 2、变频器采用遥控设置修改参数，避免了开盖设置参数，提高了使用效率。 3、在控制方案上可以联机控制，也可以单台变频独立控制，提高了设备的利用效率。 第 28 页 共 53 页 4、在联机使用过程中，如果其中一台坏了，可以通过改变控制方式，重新启动设备，缩短了维修时间，尽量避免耽误生产。 5、具有工频、变频切换功能，当变频器出故障，可以切换到工频运行，不会影响皮带机出煤，或者别的设备运行。 热方面 电力电子变换器中功耗产生的热量必须带出并在环境中散发。虽然变压器、电抗器也有功耗，但半导体电力开关器件产生的发热问 题最为严重，因其较小的体积严重限制了热容量，其温度很容易快速上升。高温时半导体开关的电特性变坏，如最大阻断电压降低，关断时间延长。严重过热导致半导体器件短时间内毁坏。为防止过热损坏，半导体电力开关器件必须装有散热器。由于防爆要求，矿用变频器的所有电子器件封于防爆壳体的主腔内，风冷无法有效实现。如果采用水冷，则需要水循环体统和散热器，体积大，矿井内空间狭小，安装和维护不方便。而且国内煤矿一般处于北方，水质偏硬，水循环系统很容易凝结水垢，堵塞水道，所以此种散热方式也不宜使用。而变频器的功率越大，防爆散热问题越突 出。解决不好，将直接影响变频器的 使用寿命和性能的稳定性。 散热对电子元器件的影响 随着电子技术、加工技术以及集成电路的快速发展，电子产品越来越多、越来越小，因此，电子元器件的散热问题也逐渐凸显出来，成为电子产品生产和开发的一个重要问题。电子元器件的工作温度范第 29 页 共 53 页 围一般是 65 ，超过这个范围，元器件性能将显著下降，并且不能稳定工作，因而影响系统运行的可靠性。相关数据表明：电子元器件的温度升高 10 ，系统的可靠性能降低 50%，因此，散热问题就成为电子元件的一个重要问题。 现在电子产品正朝着越来越小的方 向发展，由于电子元器件的集成度越来越高，功能也越来越大，这就使得原来具有较大尺寸的产品的体积大小大大的缩小，但是产品的发热量却在增加。同时，人们在选择电子产品时不再只要求其功能，而对其外观的要求也越来越高，如果再采用原来的散热方式很难满足市场的需求，这就急需一种轻、薄、短、小、密度高，且美观的散热形式来满足电子产品的要求，因此，元件的热设计必须与电子元件的设计同时进行。 介 现代电力电子技术已经向着高频大功率的方向发展，曾经用做电力开关的半导体器件有：晶闸管、 场控晶闸管、双级型晶体管、结型场效应管、功率双极性晶体管和功率型 ，其中功率双极型晶体管和功率型 比较新的半导体元件，但是两者都不能做到高频和高功率兼顾；功率双极型容易做到一定程度上的高电压大电流化，但却难以做到高速化；功率 易做到高速化，但由于其高耐压和低导通电阻之间的矛盾难以做到大电流化。 在大功率应用领域中， 应用和发展尤为快速。缘栅双极型功率管是国第 30 页 共