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高功率密度10 kV防爆高压变频器研制

高功率密度10 kV防爆高压变频器研制

2020-07-24 02:02

近年来,随着技术发展,煤炭行业提出了建 设智慧矿山战略,煤矿开采成套设备开始了技术 升级。矿用隔爆兼本质安全型变频器作为一种 电力电子传动自动化设备,以其优异的软启软 停、变频无级调速、多机同步控制、多机转矩和功 率平衡等性能,被广泛地应用到传统煤矿向智能 化矿山升级改造中,极大地提高了煤矿装备的自 动化与智能化水平。过去,在煤矿井下10 kV 电 压等级的胶带输送机中,其配套的10 kV 隔爆型 电机通常采用液力耦合器、CST 等进行驱动,这 种方式自动化与智能化水平不高,经常出现内部 液体泄漏、金属部件磨损、电机烧毁、多机运行时 无法进行功率平衡等问题,维护成本居高不下, 严重阻碍了煤矿智能化水平的提升及生产效率

的提高,寻求优秀技术方案解决这些问题刻不容 缓。2018 年,立项对此问题进行了专项攻关,研 制出了能够在煤矿井下10 kV 电压等级的胶带 输送机上进行应用的高功率密度矿用隔爆兼本 质安全型高压变电变频器,很好地解决了上述 问题。 1 整体设计 本次研制的在煤矿井下10 kV电压等级皮带 输送机应用的矿用隔爆兼本质安全型高压变电 变频器BPBJV-1600/10 主要技术参数为:额定输 入电压10 kV,额定功率1 600 kW,额定输出电流 117 A,输出电压0~10 kV,输出频率0~50 Hz, 过载能力150%/1 min,防爆型式采用矿用隔爆兼

本质安全型。 立项后,对煤矿井下10 kV 电压等级的皮带 输送机及矿用隔爆兼本质安全型高压变电变频 器的技术现状进行了调研,总结分析后,首次提 出了内置整流移相变压器的高功率密度10 kV输 入/输出矿用隔爆兼本质安全型高压变电变频器 的方案,即移相整流变压器与逆变器集成在一个 隔爆箱体内,通过采用水冷技术及复合功率单元 技术,提高功率密度。最终实现了在一个外形尺 寸不超过4 395 mm×1 560 mm×1 830 mm空间内 满足额定功率1 600 kW,过载功率2 400 kW的设 计要求。 2 矿用隔爆兼本质安全设计 此次研制产品是针对煤矿井下应用而研制。 煤矿井下环境很复杂,存在易燃易爆气体甲烷, 是一个存有爆炸性气体的环境;煤矿井下空间有 限,对变频器的体积有着严格限制;煤矿井下存 在煤尘、环境潮湿甚至有渗水滴水现象;同时国 家相关单位针对煤矿井下应用的电气设备制定 了严苛标准。这些环境条件及因素使得地面10 kV电压等级的高压变频器无法满足应用要求,同 时这些因素也是本次研制需要攻克的关键点。 本次研制的产品柜体采用了平面隔爆技术和圆 筒隔爆技术,主回路输入输出端子采用了先进的 10 kV 高压电缆连接器技术,产品的控制端口采 用了本质安全设计,柜体防护按照IP54 设计,通 过有限元分析及试验,本次研制的产品达到并 超过国家标准GB3836.1,GB3836.2 及GB3836.4 的要求。 3 主电路拓扑结构 由于电力电子器件的工艺水平并不能很好 地解决其功率、电压承受能力与开关频率之间的 矛盾,为了研制高频、高压、高性能和低EMI的大 功率变流器,必须将高性能电力电子器件、主电 路拓扑结构以及变流器所在系统的控制策略进 行综合考虑,以找到解决问题的方案。多电平结 构成为其中一种具有代表性和较为理想的解决 方案[1]。常见的电压型多电平变频器主要有3 种 基本拓扑结构,即二极管钳位式、电容跨接式和 具有独立直流电源的单元级联式。本次研制的 矿用隔爆兼本质安全型高压变电变频器BPBJV- 1 600/10采用单元级联式,如图1所示。

图1 中,T 为整流移相变压器;A1~A4,B1~ B4,C1~C4为复合功率单元;KM1,KM2为输出接 触器。整流移相变压器容量选择2 000 kV·A,包 含1 个原边绕组、1 个辅助电源1 140 V绕组、24 个额定电压为690 V的绕组。复合功率单元为6 相输入单相输出,输入线电压为690 V,输出线电 压为1 450 V。功率单元A1~A4的输出依次串联 连接形成A相,相电压为5 800 V;功率单元B1~B4 的输出依次串联连接形成B相,相电压为5 800 V; 功率单元C1~C4的输出依次串联连接形成C相, 相电压为5 800 V。然后,将A4,B4,C4的L1连接 在一起,形成变频的中点,单元A1的L2作为逆变 器的A相输出,单元B1的L2作为逆变器的B相输 出,单元C1的L2作为逆变器的C相输出,输出线 电压为10 kV。通过对KM1和KM2的控制,可使 变频器输出具有2 种驱动模式,即1 台变频器驱 动1 台电机模式和1 台变频器驱动2 台电机模 式。这种结构为高—低—高的功率变换方式,整 流移相变压器将输入三相10 kV电压变为多组三 相690 V电压,作为功率单元的输入,功率单元逆 变出的单相1 450 V电压,分别将每相功率单元 输出级联,最终使得变频器输出线电压为10 kV,功

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关键字:高功率密度;复合功率单元;单元级联;矿用隔爆兼本质安全型高压变电变频器
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