中压大功率防爆变频器开发项目可行性研究报告

1、中压大功率防爆变频器开发工程可行性研究报告一、承当单位根本情况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、工程提出的必要性及市场分析预测3三、国内、外技术水平及开展趋势,生产现状1.1四、技术来源、开发研制现状及协作单位根本概况19五、工程内容、开发方案及经济技术指标205.1 工程内容20.5.1.1、 机械方面205.1.2、 电气方面235.1.3、 散热方面275.2 开发方案33.5.3 经济技术指标.3.4.六、工程原辅材料供给、企业公用设施配套条件；376.1 工程原辅材料供给37.6.2

2、 原辅材料运输方式37.6.3 企业公用设施供给37.七、工程进度方案及保证举措46八、投资概算资金使用明细表和资金来源47九、工程财务分析49.十、经济效益和社会效益分析5010.1 经济效益分析50.10.2 社会效益分析51.十一、工程风险性分析及对策5411.1 工程范围相关风险因素54.11.2 工程时程相关风险因素54.11.3 工程预算相关风险因素54.11.4 工程关联性风险54.11.5 技术风险54.十二、主管单位审核55.、承当单位根本情况企业性质：股份制公司规模：*矿机电气开展是*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

3、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限制系统的配套、冶金轧制设备的开发设计和生产成套.主导产品有MGTY系列电牵引采煤机的监测限制中央、变频驱动系统、遥控接收发射系统、TXBC110/660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平安产品质量监督检验中心的严格审查,隔爆实验、型式试验等指标均到达设

4、计要求,并取得了防爆合格证书、生产许可证书和平安标志认证书.产品普及全国30个省、市、自治区,局部产品还远销国外,为该工程的实施奠定了强有力的根底.公司遵照GB/T19001-2000idtISO9001:2000标准建立并形成文件化的质量治理体系.我们的质量方针是“顾客满意为本,职工素质为源；科学治理为先,优良品质为重.我们的质量目标是：产品出厂合格率100%.按质量治理体系职能分配表分解责任并有效实施、治理,以保证避难碉室工程设计、开发、生产、安装、效劳满足顾客和法律、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,

5、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1.6亿,纯利润1500万.信用等级风险度是否欠息二、工程提出的必要性及市场分析预测本工程是开发1140V500KW防爆变频器,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,要降低本钱,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一一现代电力电子技术与电力传动

6、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、治理、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开展,设备也向大型化、大功率化方向开展,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、限制和优化利用的技术.电力电子技术较早用于煤矿

7、是矿井提升机,并且开展迅速.止匕外,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限制、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,除了可以提升调速的性能外,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,而且能对电能进行限制,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.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

8、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,?煤矿平安规程?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局部是液力偶合器.液力偶合器虽然能局部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4-7倍.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,对机械局部造成严重磨损甚至损坏.同时还将

9、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开展.变频技术在最近二十年飞速开展,在局部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

10、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,一般采用一拖一限制,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梢皮带为2X200KW/660V电机驱动,采有主从限制后,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1S360

11、0s可调,通常皮带机起动时间在60S200S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,起动过程中对机械根本无冲击,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梢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表达在系统功率因数和系统效率两个方面：1、提升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拟

12、大,工作时绝大局部不能满载运行,电机工作于满电压、满速度而负载经常很小,也有局部时间空载运行.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、功率因数最正确,轻载时降低,造成不必要的电能损失.这是由于当轻载时,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0.9以上,大大节省了无功功率.2、提升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

13、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,随着社会的开展,最终在带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实了这一点.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

14、要的地位,其平安可靠尤为突出.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,那么会危及人身平安.止匕外,矿井提升设备是一大型的综合机械电气设备,具本钱和耗电量比拟高,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拟,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、限制精度差.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

15、跳跃,其限制比拟粗糙,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,接触器的寿命主要表达在它的机械部份的寿命,众所周知机械局部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,

16、当在低速段运行时,稳定性差.由于转速越低,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开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,限制精度高.通常变频器都采用磁通矢量限制,使得交流电机的调速性能与直流电机几乎相等,限制精度非常高.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,用于提升绞车限制时,其可靠性很高.第三,根本无维护工作量,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

17、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.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,其节能效果将十清楚显,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

18、液压支架提供恒定的液体压力.平时液压支架根本不动,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限制,当移动液压支架时,乳化液泵提升液体流量,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,实现恒压限制.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55KW/660V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,在局部煤矿,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.

19、随着技术的开展,相信变频技术将象国外兴旺国家一样在煤矿得到广泛应用！目前国内煤矿用变频设备根本采用的根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,售后效劳也存在着很大问题.所以大功率防爆变频器的研究及其具有市场潜力.三、国内、外技术水平及开展趋势,生产现状根据我国交流电机电压等级的规定,3kV、6kV、10kV电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300kw为功率分界线,300kw以下称为中小功率,300W以上的容量称为大功率

20、.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1.1 变频器的市场情况我国50%60%的发电量用于交流电动机,而容量在3kw以上,额定电压一般为310kV的电动机占电动机总装机容量的40%50%.由于我国中压变频技术仍没有形成产业化,落后于国外兴旺国家,因此这局部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、

21、煤炭等行业.在工业用电中石油、煤炭等能源行业耗电占22.34%;化工占14.73%;冶金占14.18%;机械建材占10.96%;供水占10.53%.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.用户是否购置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,反之那么慢.另一方面市场还受国际、国内经济大环境的影响以及国内*些行业的整体经济效益好坏的影响.因此在未来市场开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.1.2 变频器的变

22、频技术的现状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一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,并因采用移相限制方式,功率因数较低,一般仅有0.60.7,而且谐波成分大,需要无功补偿和滤波装置,使得总的造价提升.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

23、靠性差等缺点.由于其开展较早,技术也比拟成熟,所以目前仍广泛应用.随着中压变频技术的开展,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,结构上有着广阔的开展前景.变频器的逆变器普遍采用大功率场效应管MOSET、大功率晶体管GTR、可关断晶闸管GTO等的自关断元件,其中GTR应用最为普遍.但是在调制策略开展和要求逆变器输出谐波分量更小的情况下,必须提升开关频率,为此,GTR满足不了这个要求,于是开发出了一种新元件IGBT.IGBT的全称是绝缘栅双极晶体管,是一种把MOSET与GTR巧妙结合在一起的电压型双极/M05复合器件,I

24、GBT具有输入阻抗高、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、热阻小、饱和压降和电阻低、电流容量大、抗浪涌水平强、平安区宽、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40kHz的IGBT已在小、中、大功率范围内使用.IGBT不仅用于500V以下低压变频器,还可以用于IOOOV以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IGBT具有性能特好的优势,预计近十年内不会被新开发的元件所取代.2、变频器的技术开展动向2.1 单元串联

25、多电平技术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.其中三电平限制具有许多优点,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+ud/2、-ud/2、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/dt,使得对电机绕组绝缘冲击减小.4三电平PWM方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PWM方法,每个功率单元的IGBT开关频率为600Hz,假设每相5

26、个功率单元串联时,等效的输出相电压开关频率为6kHz,可以降低开关损耗,提升变频器效率,这种变频器可适用于任何普通的高压电动机,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,维修也比拟方便.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.2.2 功率母线技术在电力电子技术及应用装置向高频化开展的今天,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

27、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平安工作区而损坏,限制了开关工作频率的提升.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IGBT逆变器中,由于电缆线的自感大,与圆截面导线相比,扁平母线的自感只有圆导线的1/31/2,而所占的体积只有它的1/101/2.(2)印刷电路板母线主要用于小电流逆变器,但当母线直流电流到达150A时,要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

28、板母线(平面并行母线)是一种工业上广泛应用的IGBT模块馈电系统的传统母线形式,其缺点是并行母线的互感较大.(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

29、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IGBT和整流管等模块、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,使相连接的接触外表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Ldi/dt的过电压应力降至最低,保证电力电子装置工作在最正确状态.2.3 微机限制和人工智能技术采用微机限制技术可以对变

30、频器进行限制和保护.在限制方面：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.如各种频率的设定和执行、启动、运行方式选择、转矩限制设定与运行、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、限制电路的欠压、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

31、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、限制系统等进行一次诊断清查隐患.假设发现故障现象那么调用知识库推理、判断故障原因并显示不能开机,如无故障那么显示可以开机.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.假设发现数据越限,那么认为可能发生故障,立即定向追踪.假设几次检查结果相同,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,严重时那么发出停机指令.

32、2.4其它各种技术近年来,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：(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,使装置的谐波抑制水平大大增强,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)将全数字化光纤限制技术应用于变频器,使其限制柔性和可靠性大大提升.(3)功率单元标准模块化、IGBT驱动电路智能化.目前我国煤矿普遍采用的电压等级为660V、1140V.随着煤矿生产水平的不断提升,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升,越来越多的

33、设备采用1140V这一电压等级.而1140V这一煤矿用电压等级为我国所独有.所以通用变频器,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根本采用的根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,售后效劳也存在着很大问题.所以大功率防爆变频器的研究及其具有市场潜力.四、技术来源、开发研制现状及协作单位根本概况该工程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

34、发经验,完全有水平开发出此类产品,目前整个方案已经定型,正在绘制防爆箱体的机械图.五、工程内容、开发方案及经济技术指标5.1 工程内容本工程是开发1140V500KW防爆变频器,本课题的研究内容主要有以下三方面：5.1.1、 机械方面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“ExdI和矿用隔爆兼本质平安型“ExdibI本课题研究的变频器为隔爆兼本质平安型.型号按MT/T154.2-1996的规定,根本参数：额定电压：1140V;额定电流：符合GB/T762-2002的规定除非产品标准另有规定；额定频率：50HZ.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

35、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,从而到达耐爆要求,它是由外壳的材质和机械结构强度来保证.因此,外壳应有足够的巩固性,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

36、部件的连接要符合一定的隔爆构造参数,而使其在以下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到达隔爆要求,因此只能在电气方面增强绝缘,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到达防爆目的或者严格限制瓦斯的浓度.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,不让它涉及到壳外,或者虽然冲出了火焰和灼热的金属颗粒,但已被冷却,就能有效地预防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

37、壳的结构,即通过外壳装配接合面的宽度、间隙和外表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,主腔才能翻开；当主腔翻开后,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外表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外表之间的距离.防爆变频器隔爆接合面间隙,接合面宽度和外表粗糙度应符合

38、GB3836.2-2000第五章的要求,接合面外表平均粗糙度Ra不超过6.3um,无论是长期关闭或是经常翻开的外壳其所有接合面均应符合标准中规定要求,接合面外表应进行防腐处理,但通常不允许使用漆或类似材料涂覆,除非已证实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翻开的门.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C中的补充规定,即采掘工作面用电气设备的外壳须采用钢板或铸钢制成.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

39、壳耐压试验的目的是证实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,但是外壳假设设计成在拆去内部局部装置后仍能使用时,那么应在检验单位认为最严酷的条件下进行试验,试验时,假设外壳未发生损坏,也未发生永久变形,那么认为试验合格,在接合面的任何部位都不应有永久性的增大.止匕外,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1.5倍,但至少为0.35MPa.加压时间应为10s.对于容积大于10cm而不经受出厂试验的外壳,试验压力应为参考压力的4倍.如果参考压力,那么进行动压试验时可使外壳承受的最大压力为参考压力的1.5

40、倍.压力上升速度不应与测定参考压力时的上升速度差异太大.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,假设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,那么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工程,外壳静压试验属出厂检验工程.外壳在精加工后应进行压力为1MPa的静压试验,历时1

41、0+20S,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设计原那么：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,使功率元件和限制系统靠的很近,要求解决好系统的强弱隔离问题,特别是限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.5.1.2、 电气方面1原理变频调速原理n=60f(1s)/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

42、)可知,转速n与频率f成正比,只要改变频率f即可改变电动机的转速,当频率f在050Hz的范围内变化时,电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源频率实现速度调节的.变频器主要采用交一直一交方式,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、电压均可限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、逆变和限制4个局部组成.整流局部为三相桥式不可控整流器,逆变局部为IGBT三相桥式逆变器,且输出为PWM波形,中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率.三相半控桥滤波器IGBT变器AC电机远程显示盘可描触发电源板IG滩动板1IG睁制板=|主控板2

43、谐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大危害.主要表达在下面几个方面：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,重者导致信息丧失,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

44、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、变频器接线标准信号线与动力线必须分开走线：使用模拟量信号进行远程限制变频器时,为了减少模拟量受来自变频器和其它设备的干扰,请将限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30cm以上.即使在限制柜内,同样要保持这样的接线标准.该信号与变频器之间的限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

45、接PLC和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限制端子处,以保证信号线与动力线的彻底分开.1、模拟量限制信号线应使用双股绞合屏蔽线,电线规格为0.75mm2.在接线时一定要注意,电缆剥线要尽可能的短5-7mm左右,同时对剥线以后的屏蔽层要用绝缘胶布包起来,以预防屏蔽线与其它设备接触引入干扰.2、为了提升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升系统稳定性,抑制噪声水平的重要手段.变频器

46、的接地端子的接地电阻越小越好,接地导线的截面不小于4mm,长度不超过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.变频器与限制柜之间电气相通.电气特点：1、变频器采用三相模块化结构,每一相模块一样,提升了维修效率.2、变频器采用遥控设置修改参数,预防了开盖设置参数,提升了使用效率.3、在限制方案上可以联机限制,也可以单台变频独立限制,提升了设备的利用效率.4、在联机使用过程中,如果其中一台坏了,可以通过改变限制方式,重新启动设备,缩短了维修时间,尽量预防耽误生产.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

47、带机出煤,或者别的设备运行.5.1.3、 散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.为预防过热损坏,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,那么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

48、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.3.1、 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开展,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围一般是-565C,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.相关数据说明：电子元器件的温度升高10C,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开展,由于电子

49、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.3.2、 大功率模块的散热3.2.1、 IGBT简介现代电力电子技术已经向着高频大功率的方向开展,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MOSFET等,其中功率双极型晶体管和功率

50、型MOSFET是比拟新的半导体元件,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MOSFET容易做到高速化,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,IGBT的应用和开展尤为快速.IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)绝缘栅双极型功率管是国外八十年代中期研制成功的新一代大功率摸板,它不仅保存了功率MOSFET的高速优点,同时也克服了其高耐压和低导通电阻之间的矛盾.其优点是：驱动功率小,饱和压力低,适用于直流电压为600V及以上的变流系.由于IGBT的以上特点,使得很多

51、工业兴旺的国家和公司对其开展相当重视.如：美国的国际整流器、西德的西门子、日本的东芝、三菱等大公司对其开发和研制都投入了大量的人力和财力以大量的开发和生产IGBT.目前,IGBT已经在各领域中得到了广泛的运用,如：开关电源、逆变器、汽车自动电子点火器、激光电源、变频器等.3.2.2、 散热对IGBT的影响IGBT在使用中,具散热即内部的温度情况是很重要的,如果散热差、温度高就会影响系统的正常运行,同时还会大大的缩短元器件的寿命.目前,为了降低温度保证元器件的工作正常和延长使用寿命,不得不放弃一些成熟的技术,如：电子集成技术、元件封装技术等,从而使得电子产品的本钱增加.同时,IGBT模块具有一个

52、不同材料组成的多层结构,由于各层材料不同,其热力学性质也有所不同,当模块在不同工作状态时,其内部的发热量是不同的,这就使得模块的工作温度发生变化,模块多层结构中各层材料的热失配将导致热应力的产生,从而使模块发生热蠕变、热疲劳失效及弯曲变形.因此,IGBT的散热是产品在设计时、运行时所要考虑的一个重要因素.3.2.3、 现有大功率电子模块的散热方式现在对于大功率电子模块常有的散热方式主要有如下几种：IGBT外表公差处理：对于大功率电子元件,特别是IGBT,铜基板外表的加工一般采用在一定范围内的正公差,这样有利于与散热器外表相接触,以减小硬连接的界面热阻,从而起到较好的散热效果.水冷：目前很多电子

53、元器件都是使用水冷装置作为散热系统,通过水流不断的将器件内部热量带走,以到达散热的目的.但是在使用过程中对于散热系统的要求比拟高,要完全杜绝发生漏水、断水情况的发生.翅片冷却系统：目前也有很多使用翅片冷却系统以到达散热的效果.热管散热系统：热管是一种传热性能极好的导热元件,目前许多电子产品已经开始将热管使用到各个散热系统中.3.3、 大功率热管散热器3.3.1、 热管散热器热管是一种高效的传热元件,主要由管壳、吸液芯、盖端所组成.热管可分成两个局部,一端是蒸发端,另一端为冷凝端.热能通过蒸发端自外热源经过管壁传给工作流体即吸液芯,进入冷凝端后凝结并放出热量,然后靠毛细力的作用重新流回蒸发端.热

54、管的工作过程可以看作是6个同时发生和相互关联的热传递过程：从热源通过容器壁和洗液芯-液体组合体到液体-蒸汽界面的传热；蒸发器内液体-蒸汽界面的传热；从蒸发器到凝结器蒸汽同内蒸汽的传输；凝结器内液体-蒸汽界面上蒸汽的凝结；从液体-蒸汽界面通过洗液芯-液体组合体和容器壁到冷源的传热；靠吸液芯内的毛细管作用产生凝结液的回流.3.3.2、 热管散热器在大功率元器件中的运用由传热学知识可知,增加散热面积就以为在宽度变化不大的情况下要增加翅片的长度,然而一味的增加翅片的长度不但不会增大散热空间还会造成翅片肋的效率降低,从而降低散热效果.如果只是通过增加翅片的长度或者减小翅片的厚度来增加实际的散热面积,就有

55、可能使得肋效率降低.因此,传统的散热器存在着散热极限的问题,在电子元件散热量急速增加的时期已经不能满足市场要求.而对于热管散热器就不存在散热极限的问题,使用热管散热器的元器件具绝大局部热量都是通过基板传递到热管,有热管将热量带到散热翅片,使得分配到各个翅片的热流密度平均,肋长比拟短,肋效率高,有效散热面积大,布置比拟灵活,可以将热量通过热管带到更加适宜的地方散热,使得热管散热器不但能够胜任高热流密度电子元器件,还可以适应复杂恶劣的运行环境,因此,热管散热器被广泛的运用于各种电子元器件中.目前,许多大功率电子器件已经将热管技术运用于其中,以到达更好的散热条件,保证电子产品内部工作条件,延长产品寿

56、命.特别是将热管技术成功的运用到IGBT大功率模块中,克服了为延长元器件寿命而放弃的很多成熟、高效的技术,提升了元器件的散热量,使产品在满足寿命要求的同时也能平安、稳定的运行.3.4、 结论散热是电力电子设备平安、稳定运行所必不可少的因素,只有元器件的散热条件好才能保证设备能正常、长期的运行,因此,元器件的散热十分重要.热管作为一种高效的导热元件,其导热效果高,散热速度快,散热量大,与其他散热系统相比更平安、可靠；采用热管散热器不但可以节约材料,减小空间利用,还可以提升设备运行的稳定性.因此,将热管散热器作为一种新型的散热设备更能适应当前高热流密度、高集成度的大功率器件的散热要求,热管散热器将

57、在各个领域中得到广泛的应用.5.2 开发方案研究试验方案将根据试验点情况具体制定,根据初步掌握的资料,初拟现场试验方案采用：1、 本工程采用理论分析、现场设计、评价等方法,进行井下施工及施工指导,总结研究成果,编写课题研究报告.2、 成立专门的课题研究小组,进行集中攻关.3、 *矿机电气开展负责整个工程的运筹及技术上的研究,负责井下施工的指导,负责总结研究成果,编写课题研究报告.目标：研制出一套500KW防爆变频系统,该系统为井下大功率电机的变频驱动系统.性能：(1)主从422通讯.4、 )操作盘显示,不开盖,可以通过遥控或者通过复合按钮完成变频器的设置.5、 )三相模块化结构,便于维护.6、 )旁路工频启动.7、 )热管风冷散热.8、 )工作系统中提供短路、过载、缺相、过压、欠压、漏电闭锁及变频装置故障保护等功能.(7)变频装置本安电路可提供不大于300m的远控正转运行、反转运行、停车等功能.(8)防爆型式：矿用隔爆兼本质平安型,防爆标志：ExdibI.结构：变频装置由防爆外壳、热管散