大功率防爆变频器可行性实施报告

1、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 205.1项目内容 20、机械方面 20、电气方面 24、散热方面 285.2开发方案 335.3经济技术指标 35六、项目原辅材料供应、企业公用设施配套条件； 376.1项目原辅材料供应 376.2原辅材料运输方式 376

2、.3企业公用设施供应 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 4910.1经济效益分析 4910.2社会效益分析 49十一、项目风险性分析及对策 5211.1项目范围相关风险因素 5211.2项目时程相关风险因素 5211.3项目预算相关风险因素 5211.4项目关联性风险 5211.5技术风险 52十二、主管单位审核 53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

3、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 MGT系列电牵引采煤机的监测控制中 心、变频驱动系统、遥控接收发射系统、TXBC110/66C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

4、心的严格审查，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GB/T19001-2000idtlS09001:2000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

5、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1.6亿，纯利润1500万 信用等级风险度是否欠息二、项目提出的必要性及市场分析预测本项目是开发1140V500KW&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

6、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

7、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。下面分别谈变频器在煤矿带式输送机、

8、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

9、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

10、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 2X

11、 200KW/660V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1S3600S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

12、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0.9以上，大大节省了无功功率。2）、提高系统效率采用变频器驱

13、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、

14、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

15、 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。米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

16、。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。通常变频器都米用磁通矢量控制，使得交流 电机的

17、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，其可靠性很咼。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。如果变频器采用的是能量回馈型变频器，

18、 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，

19、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。三、国内

20、、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，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。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%勺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

21、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，

22、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。1.2变频器的变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

23、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 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

24、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 MOSET大功率晶体管 GTR可关断晶闸管GTO等的自关断兀件，其中GTR应用最为普遍。 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，GTF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MOSE与GTR 巧妙结合在一起的电压型双极/M05复合器件，IGBT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、抗浪涌能力强、安全区宽、 并联容易、稳定可

25、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、变频器的技术发展动向2.1单元串联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。其中三电平控制具有许多优点，包括：（1）

26、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PWI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 PWI方法，每个功率单元的IGBT开关频率为600Hz,若每相5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，提高变频器效率，这种变频器可适用于任

27、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，维修也比较方便。(5)三电平拓 扑能产生3兴3兴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

28、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1/3 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

29、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，整个母线极之间的距离均匀一致，以减少互感，各 层铜

30、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Ldi/dt的过电压应力降至最低，保证电力电子装 置工作在最佳状态。2.3微机控制和人工智能技术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：（

31、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/O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，

32、 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

33、，严重时则发出停机指令。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，这类变频装置具有咼功率因数、咼效率、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、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 产能力的不断提高，生产设备单机功率的不断

34、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。四、技术来源、开发研制现状及协作单位基本

35、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。五、项目内容、开发方案及经济技术指标5.1项目内容本项目是开发1140V500KW&爆变频器，本课题的研究内容主要有以下三方面： 、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“Exdl”和矿用隔爆兼本质安全型“ Exdibl ”。本课题研究的变频器为隔爆兼本质安全型。型号按MT/T154.2-1996的规定，基本参数：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

36、定）；额定频率： 50HZ2）、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

37、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， 但已被冷却，就能有效地防止周围可燃性

38、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

39、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GB3836.2-2000第五章的要求，接合面表面平均粗糙度 Ra不超过 6.3um,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。

40、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。外壳耐压试验的目的是证明外壳能否有效的承受内部爆炸，夕卜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1.5倍，但至少为0.35MP&

41、amp;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1.5倍。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

42、空气的体积比应符合表中规定即甲烷 58瘪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1MPa勺静压试验，历时10+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

43、分考虑到它的各个制约要素，而不可顾此失彼。、电气方面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

44、式不可控整流器，逆变部分为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。AC远程显示盘2（Z5Z2三相半控桥可控硅触发板滤波器IGB逆变器IGB推动板1IGB控制板电机主控板电源板（或电流）波形并不是标准的正弦波行，这些谐波，尤其是低次谐波对负载产生很2）谐波干扰由于变频器逆变输出的电压而是存在着很多奇数谐波。 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

45、、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

46、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30cm以上。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，电

47、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 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

48、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。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。、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

49、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。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

50、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。相关数据表明：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、

51、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。32大功率模块的散热321、IGBT简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 MOSFE等，其中功率双极型 晶体管和功率型MOSFE是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 MOSFE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

52、用和发展尤为快速。IGBT(I nsulatedGateBipolarTra nsistor)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，它不仅保留了功率 MOSFET勺高速优点，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，使得很多工业发达的国家 和公司对其发展相当重视。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

53、电子点火器、激光电源、变频器等。322、散热对IGBT的影响IGBT在使用中，其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，为了降低温度确保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成本增加。同时，IGBT模块具有一个不同材料 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

54、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。、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表面公差处理：对于大功率电子元件，特别是 IGBT,铜基 板表面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 表面相接触，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， 以达到散热的目的。但是在使用 过程中对于散热系统的要求比较高， 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达到散热的

55、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331、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。 热管可分成两个部分，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

56、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。332、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 元器件其绝大部分热量都是通过

57、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，肋长比较短，肋效 率高，有效散热面积大，布置比较灵活，可以将热量通过热管带到更 加合适的地方散热，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， 以达到 更好的散热条件，保证电子产品内部工作条件，延长产品寿命。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，提高了元器件的散热量，使 产品在满足寿命要求的同时也能安全、稳定的运行。3.4、结论散热是电力电子设备安全、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安全、可靠；采用热管 散热器不但可以节约材料，减小空间利用，还可以提高设备运行的稳 定性。因此，将热管散热