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防爆变频器的研制和开发
来源: | 作者:yufangjz | 发布时间: 2022-01-08 | 141 次浏览 | 分享到:

一、前言
  随着电力电子技术的不断发展,变频调速技术日益成熟,通用变频器得到了迅速发展,各种品牌的变频器在自控领域的各行各业都得到了广泛的应用。但在一些有爆炸性气体和粉尘比较多的地方(煤矿焦化厂部分化工厂)变频器还没有得到充分的应用,究其原因主要是这些地方的变频器需要防爆,而这种变频器现在市场上还未见成熟产品。根据上述情况,我们山东风光电子有限公司与大屯煤电(集团)有限公司联合开发研制成功了矿用防爆变频器,该产品已经过有关部门鉴定,现已在大屯煤矿正式投产使用.

二、变频器的技术要求
   1、工作环境 有爆炸性气体或粉尘较多的环境 (防爆);
   2、输入电压 交流660V±10% ;
   3、调速范围 2—50HZ ;
   4、保护功能 具有短路、过流、过压、欠压、超温、停电闭锁等功能;
   5、工作方式 24小时连续工作制;
   6、其他技术指标与通用变频器相同。

三、变频器的控制原理

   1、主回路部分 
   变频器主回路包括空气断路器、三相整流器、滤波电容、IGBT逆变器 

变频器主回路电气原理框图
图1: 主回路电气原理框图
   
   2、控制回路部分
   变频器控制部分包括CPU控制器、IGBT驱动电路、电流检测电路、电压检测电路、保护电路、操作显示电路。其控制原理框图如下:

变频器控制原理图
图2: 控制原理框图

   3、变频器所用主要元件都是选用世界知名公司生产的名牌产品,性能优良,质量可靠。
  (1) 逆变器部分选用德国西门子公司的IGBT模块,该模块饱和压将低,母线电感小,开关频率高,结构简单,安装方便。
  (2) CPU控制器选用美国Intel公司的87C196MC单片器,该芯片功能齐全,运算速度快,是一种高性能的CHMOS 16位单片机,它功耗小,除正常工作外还可以工作于2种节电方式:待机方式和掉电方式。它内部有一个波形发生器,可以输出2组互补的3相PWM信号,特别使用于电机控制系统。
  (3) 驱动电路采用日本三菱公司的M57959L专用驱动模块,该模块驱动功率大,信号隔离强,集成化程度高,性能优良,使用方便。

四、防爆变频器研制中的问题和对策

   1、防爆问题
  由于该变频器所使用的环境有爆炸性气体或粉尘较多,这就要求变频器密封防爆,所以它的外壳不能用普通的壳体,必需用标准的防爆腔,把变频器所有的元件都装在防爆腔内。在防爆腔门上开一个观察窗,把显示部分装在上面,把启动、停止、调速控制装在防爆腔门上。
   2、散热问题
  由于变频器的所有元件都装在防爆腔内,空气不能流动,散热问题成为该变频器所要解决的关键问题。在这里我们采用了一种新的散热技术-热管散热技术。
  (1)热管技术原理
  热管是一种具有极高导热性能的传热元件,它通过在全封闭真空管内工质的蒸发与凝结来传递热量,具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、可控制温度等一系列优点。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)变频器结构布置
  我们将主回路设计成一个大单元,安装在长方形防爆腔内后壁,后壁上通过一个过度散热器与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 过度散热器 热管 槽形散热器散发出去。
  3、主回路结构与通用变频器的不同
  (1)没有延时回路 
  避免因延时继电器动作时产生电火花造成的不安全因素,增加了变频器的安全可靠性。
  (2)整流器容量选择比通用变频器增大一倍
  目的是为了耐受住变频器开机瞬间电容充电电流的冲击。
  (3)滤波电容选用多只无感电容并联
  电解电容体积大,高温环境下易爆炸,不安全;而无感电容体积小,耐高温、高压,在这种环境下应用非常安全。 

  五、结束语
  防爆变频器研制成功,填补了变频器应用行业的一项空白。当然,我们还将在结构、工艺、功能等方面进一步完善,把防爆变频器做的更完美,更可靠,更齐全。相信不远的将来防爆变频器在自动化领域内会有一个灿烂的天空。