矿用隔爆兼本质安全性变频器在煤矿井下皮带机上的应用

       煤炭堪称我国第一大能源行业，既是产能大户、耗能大户也是节能潜力大户。节能减排是我国的一项基本国策，但是就我国目前煤矿行业发展状况来看，存在很大的能源浪费现象；在煤矿行业内，由于井下空间空气流动性差，变频器又采用隔爆外壳，所以散热问题便显得尤其重要；目前煤矿的散热主要有热管自然冷却、加风机强迫风冷、水冷三种方式。

一、现场工况

        山西朔州某煤业公司井下皮带运输机，二台400KW的电机同时驱动一条1200米的皮带运输机，二台500KW防爆变频器分别驱动二台电机同步运行，二台变频器之间通过通讯的方式主从运行。

二、系统构成

1 . 变频器

     电抗器箱：包含LCL电源滤波

     变频器箱：整流回馈单元、逆变单元、二次控制回路

     5.6寸人机界面

                                                           显示频                       人机界面
2.控制系统

       本系统包括逻辑处理系统以及预留的上位机扩展系统接口。

       逻辑处理系统采用西门子S7-200系列PLC，通过采集现场的故障信号、电机保护信号、皮带运输机保护信号来控制变频器的启停，传感器根据皮带运输机的煤位或煤量来自动调整变频器的运行状态。

       预留的上位机扩展接口可以在不加任何硬件的情况下直接连接上位机，可以显示变频器运行状态、皮带机保护信号状态、故障查询等。

3.保护系统

       皮带机的各种保护传感器、跑偏传感器、拉线急停开关、煤位、断带传感器、速度传感器、烟雾传感器、语音报警、洒水装置等。

4、电气方案

       煤矿井下皮带输送机系统多为双滚筒或多滚筒驱动，为了保证系统的同步性，首先必须保证机头的各滚筒同步启停；同时为了保证系统的运输能力，应尽量保证各滚筒之间的功率平衡。通过调整相应两变频器的速度给定来调整两电机之间的速度差，便可任意增大或减小两驱动电机的电流差值。因此可以通过单独的控制系统控制各电机的电流值，通过调整各电机的速度来使各电机电流值逐步趋于平衡。

       防爆变频器带动皮带输送机工作时，采用主从联动方式。主机的输出是从机的给定，从机跟踪主机的参数，主从机的数据交换通过通讯线路进行。具体可以根据皮带输送机机械驱动装置的布置作调整。

       多台电机驱动同一负载时会出现速度不同步问题，速度快的电机将承受较重负载。这种情况下，变频器可根据负载变化自动调整运行频率，从而使负载均衡分配。

系统组成图

       如上图，两台变频器一台设置为主机，另一台则设为从机。主从机通过通讯线路（Modbus总线、Profibus总线、485通讯）进行数据交换。两台电机采用无传感矢量控制方式同时起动，主机的速度输出作为从机的速度输入给定。从机可根据负载变化自动调整运行频率，跟踪主机以保持同步，实现电机功率平衡。此方式速度控制精度高、动态响应快，可随负载变化动态调整速度输出。在匹配煤流传感器后，可自动依据煤流大小自动调速，在大量节约电能的同时可提高电机功率因数。

       在能量回馈时，二台整流单元分别将电机发出的能量回馈给电网，经过滤波单元回馈电网的三相波形近似于正弦波，功率因数接近1。

       模块式安装（配电部份、滤波部份、整流回馈部份、逆变部份），方便维护。

三、 散热方式

       由于变频器的所有元件都装在防爆腔内，空气不能流动，鉴于这种情况，我们采用了一种新的散热技术——热管散热技术。

     （1）热管是一种具有极高导热性能的传热元件，它通过全封闭真空管内介质的蒸发与凝结来传递热量，冷热两侧的传热面积可任意改变。具有等温性好、远距离传热、温度可控制等一系列优点。由热管组成的换热器具有传热效率高、结构紧凑、流体阻损小等优点。

     （2）将变频器结构设计成一个大单元，安装在长方体防爆腔内后壁，通过过度散热器与IGBT模块、整流模块等发热元件接合，防爆外壳外壁加焊槽形散热器，过度散热器与槽形散热器通过热管相连接。变频器内部产生的热量就通过防爆腔后壁热管槽形散热器散发出去。

     （3）由于散热功率的增加，变频器的散热量=3%X额定功率（KW），热管自身的散热量不能满足要求，所以变频器采用热管加风机强迫风冷的方式散热。外罩采取四周封闭结构，风机采用从下往上抽风的方式进行强迫散热。如下图所示：（风机选用品牌风机，并单独取得煤安证书）。

                              变频器后部                                            热管散热器
       如上所述，热管加风机强迫风冷具有对环境要求低、防灰尘、散热器免维护等优点；选用品牌风机提高了风机的寿命，增加了变频器稳定性。

四、 节能

       由于变频器的四象限运行，能够将负载的惯性能量和电机发出的电能反馈给电网，并拥有再生功能和快速制动功能，变频器前端采用先进的IGBT PWM整流技术，优化的SVPWM控制算法，功率因数接近1。

       节能效果测算（一年300天，一天16小时,每度电0.5元）
       电机参数： 额定功率400KW；额定电压1140V
       年节约电能： 2400000 x 20%=480000KWh
       年节约电费：1200000元-960000 元=240000元
       计算结果显示：采用变频调速后，系统节能效果显著，且运行良好。

间接效益：

 ●    启动转矩大，加、减速平稳，全速运行时速度保持度好。启动和加减速阶段基本不存在机械冲击。
 ●    闸瓦磨损小，输入输出谐波含量低，对电网无污染，对周边设备无干扰，维护量小；
 ●    冲击电流小，安全保护功能齐全，除一般保护功能外，另设有联锁保护、自动限速保护功能。

五、 结束语 

       在现代工业生产中，随着煤矿现代化改进步伐的加快与节能减耗政策的持续推进，矿用防爆变频也应运而生，我公司自主研发的大功率矿用防爆变频器，采用模块化设计，在现场应用中运行状态良好，得到了用户的一致好评。