表1 主要高压变频器技术对比
Table 1 Technology comparison of main high pressure frequency converters
综述
朱永平1,2, 徐晓建3
(1.中煤科工集团常州研究院有限公司， 江苏 常州 213015； 2.天地(常州)自动化股份有限公司，江苏 常州 213015； 3.常州信息职业技术学院 继续教育学院， 江苏 常州 213164)
摘要：分析了矿用变频器存在的主要问题：研发投入不足，价值挖掘不充分，对电网的污染严重及使用维护相对困难；从矿用变频器防爆技术、变频驱动技术和应用技术等方面阐述了矿用变频器的发展趋势：隔爆兼本质安全型仍是未来矿用变频器的主流防爆型式，矿用变频器的防爆工作将主要围绕壳体优化设计、壳体内部环境控制、散热技术革新等方面展开；矿用变频器未来研究的重点是中高压大功率变频器及新技术、新器件的应用，以及变频器的清洁利用与节能应用。
关键词：矿用变频器； 防爆变频器； 变频驱动； 中高压大功率变频器； 发展趋势
Abstract:Main problems of mine-used frequency converter were analyzed that input of research and development is insufficient, value exploration is inadequate, pollution to power net is heavy, and use and maintenance is relatively difficult. Development trends of the mine-used frequency converter were expounded in term of explosion-proof technology, variable frequency drive technology and application technology, namely explosion-proof and intrinsically safe is still mainstream of explosion-proof type for the mine-used frequency converter in the future, explosion-proof research of the mine-used frequency converter will focused on optimization design of shell, internal environment control of shell, innovation of heat dissipation technology. Research focuses of the mine-used frequency converter are application of middle and high pressure and high-power inverter, new technologies and devices in the future, clean utilization and energy saving of frequency converter.
Keywords:mine-used frequency converter; explosion-proof frequency converter; variable frequency drive; middle and high pressure and high-power inverter; development trend
矿用变频器是针对煤矿井下高温、高湿、存在爆炸性气体的特殊环境而设计的防爆型特种变频器。最初矿用变频器主要用于无极绳绞车、斜井绞车等设备，用于实现这类设备的启停控制及速度调节，后来逐渐推广应用到中大功率的带式输送机、刮板输送机、局部通风机、乳化液泵等设备，用于实现这些设备的软启、软停或调速。虽然矿用变频器已经得到了广泛应用，但现阶段仍存在不少问题需要解决。同时，在目前矿用变频器行业价格竞争激烈、整体盈利能力低、核心技术普遍缺乏的情况下，矿用变频器未来如何发展也值得思考。
目前,国内有大大小小超过200个厂家在从事矿用变频器的相关业务，但是真正具有变频核心技术的厂家却寥寥无几，大多数厂家生产的矿用变频器仅仅是利用国内外专业变频器厂家生产的通用变频器进行防爆处理后的产品，几乎没有对变频器核心技术方面的研发投入，而中高压变频器领域的核心技术更是被国外厂家所垄断。这导致目前市场上的矿用变频器产品质量参差不齐，故障率普遍偏高，而生产厂家又很难及时排除故障，给用户造成较大困扰。
目前，除了绞车类、通风机、泵类负载，矿用变频器仅仅作为大型机电设备的启动设备来使用，尤其是在带式输送机、刮板输送机等多机驱动的物料输送领域，变频器用于多机平衡驱动、负载匹配节能运行、张力匹配与效率提高等方面的研究尚未形成可信的成果，这方面的应用与价值尚未被充分挖掘，或多或少也影响了用户对矿用变频器的需求。
矿用变频器的广泛应用，解决了矿井各类中大功率的机电设备的启动及调速问题，对优化生产流程、降低电能消耗起到了积极的作用，但是，矿用变频器的广泛应用也给矿井电网造成了较大的污染，主要污染有高次谐波、无功损耗、射频干扰等[1-2]。这些污染不仅增加了电缆、变压器的损耗，也对电网中的其他电气设备和仪器造成较大的影响，尤其是当前行业竞争激烈，各生产厂家往往降低或忽略变频器产品在谐波抑制方面的投入，导致井下电网质量普遍较差。
虽然变频器技术已经较为成熟，但对于煤矿用户来说，变频器仍属于具有较高专业技术的产品。由于受用户技术水平的限制，加上人员培训不到位等原因，目前，煤矿用户尚很难自行对变频器进行维护和维修，一旦出现问题，大多需要厂家进行售后服务，维修周期长，影响安全生产。
经过十几年的发展，矿用变频器已经在煤矿生产、运输、通风等环节得到广泛应用，尤其是低压变频器，相关产品和技术已经相对成熟。矿用变频器未来研究的重点方向是中高压大功率变频器及新技术、新器件的应用，而在矿用变频器的应用方面，则更多是在变频器的清洁利用与节能应用领域挖掘潜力。
防爆设计是矿用变频器区别于地面一般型变频器的最大特征，防爆设计主要包括壳体设计、内部环境控制、散热设计等。目前，矿用变频器的主要防爆型式是隔爆兼本质安全型(EXibⅡ)，业内虽有厂家曾尝试正压防爆等其他防爆型式，但隔爆兼本质安全型仍是未来矿用变频器的主流防爆型式。矿用变频器在防爆方面的工作将主要围绕壳体优化设计、壳体内部环境控制、散热技术革新等方面展开。
2.1.1 壳体优化设计
(1) 减小壳体尺寸。由于井下环境的限制，矿用变频器相比地面型变频器要求有更高的功率体积比，在不影响变频器性能的条件下，尽量缩减变频器的尺寸，不但可以降低成本，也有利于现场的安装、调试和维护。主要的措施包括采用叠层母排、大容量薄膜电容替代电解电容等方式缩小变频器机芯体积；采用模块化分区隔层设计提高内部空间的利用率；将共整流、多逆变的组合式变频器用于带式输送机、刮板输送机等多机驱动的负荷，减小整体尺寸等。
(2) 机电驱动一体化。针对电动机与变频器距离较远的场合，可采用电动机与变频器一体化设计，将变频器的防爆壳体与电动机壳体集成到一体，既能解决变频器长距离供电带来的尖峰电压增大的问题，也可缩减整体尺寸。但是机电驱动一体机要求变频器有较高的抗振动能力，同时应采用三电平整流或Vienna整流等拓扑结构，以降低谐波，并缩小电抗器和滤波器的体积。
2.1.2 防爆壳体内部环境控制
由于绝大多数矿用变频器采用隔爆或隔爆兼本质安全设计，所有的电气元器件集中在有限的防爆壳体内，而变频器本身就是较大的谐波和电磁辐射干扰源，且矿用变频器普遍运行在高温、高湿、高粉尘的井下环境，导致变频器壳体内部的电磁环境和温湿度环境比较恶劣，如果内部恶劣的环境不能有效防治，则对变频器的稳定性和寿命有很大的影响。
(1) 电磁环境的防治。针对变频器内部复杂电磁环境的防治，可采取的措施主要包括两方面：一是主动减少干扰，采取滤波措施，优化PWM(脉宽调制)算法,以降低尖峰电压和谐波含量等;二是被动防治，主要防治措施包括强弱电分区隔离与分区布线、用母排或叠层母排代替电缆、缩短动力回路的长度、屏蔽敏感元器件和线缆等。
(2) 内部温湿度环境的防治。主要是针对温度、湿度、粉尘的防治。主要措施包括：① 提高防护等级，如将大面积隔爆面划分为多个小隔爆面，隔爆面增加硅胶密封条，对脆弱元器件或设备增加防护罩等。② 主动降温，如在壳体内设计循环风路和散热通风机,以加快内部热量散发,发热设备附件壳体外部增加散热翅片,设计专门的换热器(如热管、水冷换热器等)将内部热量快速传导到壳体外等。③ 主动除湿，如在壳体循环风路中串联干燥剂组，让高湿的空气不断通过干燥剂组，此方式的除湿效果远高于在壳内简单放置干燥剂布包的方式。
2.1.3 散热技术革新
矿用变频器中的功率器件IGBT在运行时，由于开关损耗,器件会发热，一般发热量为变频器额定功率的1.5%～2.5%。矿用变频器的功率单元部分安置在隔爆腔体内，常规的风冷方式并不利于矿用变频器的散热，而散热效果的好坏对变频器的性能和稳定性有较大影响。改善散热效果也是矿用变频器未来研究的内容之一。
(1) 散热方式的发展趋势。未来低压的中小功率矿用变频器散热方式仍将以目前主流的热管散热方式为主；低压的大功率变频器的散热方式则将以外部净水冷方式为主[3]；中高压变频器的散热方式则将以内部循环的去离子水散热方式为主，再经热交换器(如钎焊板式换热器)与外部冷却水进行热交换。
(2) 降低矿用变频器发热量的措施。降低矿用变频器的发热量可以降低变频器散热方面的难度和成本，主要措施：① 推广应用三电平技术，尤其是在低压中大功率变频器上，采用三电平技术和开关损耗较低的低压IGBT，有利于降低整体发热量。② 采用低开关频率的变频器，目前变频器输出电压的载波频率一般在3 kHz左右，开关频率越高，则开关损耗越大，但较低的开关频率会增大谐波含量。目前的研究表明，如300 Hz的载波，采用优化的脉冲模式，如SHEPWM(指定谐波消除法)和CHMPWM(电流谐波最小法)等，在同等功率下，可减少约40%的发热量，同时总的谐波含量可控制在标准范围内[4]。
2.2.1 矿用中高压大功率变频技术的发展
煤矿行业一般习惯称AC3.3 kV电压等级为中压，而AC 6/10 kV 电压为高压。随着矿井生产能力的不断提高，生产、运输等领域的机电设备功率越来越大，电压越来越高，目前，3.3 kV已成为大型矿井工作面普遍采用的用电端电压等级，未来煤矿井下用电端电压等级可能提高到6 kV或10 kV，因此，大功率、高电压的矿用变频器将会有良好的发展前景[5]。由于目前大功率电力电子器件的耐压等级的限制，高压变频器的主要解决方案有如下几种形式：H桥单元串联高压变频器、功率器件直接串联的电压型变频器、功率器件直接串联的电流源型变频器、有源钳位的三电平、五电平、九电平变频器等[5-7]。这些类型的高压变频器都有较广泛的应用，但考虑到煤矿井下防爆设计的要求，各自都有优缺点，大致分析见表1。
通过以上分析可知，未来随着高压IGBT、基于碳化硅(SiC)的IGBT等高耐压电力电子器件的日益成熟，三电平技术、五电平技术将成为大功率、中高电压矿用变频器领域的优选技术，而在地面通风机、水泵类负荷广泛应用的H桥单元串联式高压变频器，由于结构复杂、体积庞大、散热困难等诸多缺点，并不适合应用于煤矿井下。
2.2.2 新技术与新器件的应用
近年来电力电子技术发展非常迅猛，新技术、新器件不断涌现，就矿用变频器的发展来看，以下几个方面的发展值得关注。
(1) 永磁同步电动机变频器的应用。永磁同步电动机已成为交流传动中的一颗新星，该电动机为无刷结构，功率因数高，效率也高，转子转速严格与电源频率保持同步，低速转矩性能出色。低速直联永磁同步电动机由于省却了减速机，非常适合在井下刮板输送机、带式输送机等设备上应用。永磁同步电动机的模型与传统异步电动机不同，电动机的特性不同，变频器的内部算法也会不同，目前国外较为高端的变频器大多具备驱动永磁同步电动机的能力，而国内产品仍在不断完善中。
表1 主要高压变频器技术对比
Table 1 Technology comparison of main high pressure frequency converters
(2) 智能功率模块IPM(Intelligent Power Module)的应用。IPM是一种将功率开关器件和驱动电路集成在一起，并在内部集成过电压、过电流和过热等故障检测电路的集成功率模块。它由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路及快速保护电路构成。即使发生负载事故或使用不当，也可以保证IPM自身不受损坏。IPM的出现降低了变频器开发难度，同时也有利于提高变频器的集成度，缩减体积，简化电气结构，比较适合矿用变频器这类对体积、结构要求较高的产品。虽然目前IPM的容量普遍较小，主要应用于小功率的变频器，但未来将可能应用于中大功率变频器。
(3) 新型IGBT的应用。目前变频器的主要功率器件为IGBT，未来随着基于碳化硅(SiC)、锗化硅(SiGe)、磷化铟(InP)等新材料的IGBT、功率MOSFET等器件的成熟，将使得变频器在开关频率、载流能力、耐压等级、热损耗等方面有较大的突破[8]，这些新技术和器件有望在矿用变频器领域得到广泛应用。
(4) 异步伺服技术的应用。目前，矿井使用的主要是异步电动机，永磁同步电动机虽然已经开始应用，但电动机的主要作用大多为传动控制，而不涉及位置、角度等伺服控制。虽然应用于地面的基于永磁同步电动机的伺服电控制技术已经比较成熟，但将同步伺服技术应用到井下设备存在成本高、技术难度大等问题。基于异步电动机的伺服控制技术可应用于采煤机摇臂、掘进机摇臂控制等领域，由于其具备零速满转矩、任意角度控制、低速大转矩等功能，可减少齿轮机构，取消离合器，提高传动效率。
2.2.3 矿用变频器的清洁应用
如何降低变频器对电网的污染，不仅关系到变频器产品及设备的可靠运行，也关系到矿井供电电网的安全，必须予以高度重视，除常规的增加滤波器、EMC抑制器等手段，还可以从以下几个方面着手解决。
(1) 控制算法优化。正弦波脉宽调制(SPWM)变压变频器可以采用正弦波脉宽调制控制、消除指定次数谐波的PWM控制、提高逆变器开关频率等方法，以降低变频器高次谐波的含量。
(2) AFE(有源前端)整流。目前整流技术大概有2种：一种是使用二极管或可控硅的多脉冲整流技术，另一种是使用IGBT的PWM整流技术，即AFE整流。因为开关频率高，输入谐波很小，PWM整流的电流总谐波畸变一般可以做到小于2%，这一技术主要应用于四象限运行的变频器，或者用于多逆变共整流的分布式变频器。
(3) Vienna整流器的应用。Vienna整流器是另一种两象限三电平PWM整流器[9]，一种典型的Vienna整流器拓扑结构如图1所示，主要由6个快恢复二极管和3个全控开关(如IGBT)组成。Vienna整流器具有功率因数高、电流畸变率低、全控开关器件少、开关应力低、无需设置开关死区等优点。Vienna整流器具有良好的可靠性，在能量单向流动的高功率密度场合得到了广泛应用。
图1 Vienna整流器典型拓扑结构
Fig.1 Typical topology structure of Vienna rectifier
(4) 三电平或五电平技术应用。三电平或五电平技术有助于降低高次谐波，降低高次谐波对电动机的绝缘损害，目前该类技术在AC3.3 kV及以上电压等级的变频器领域已经广泛应用，可将此技术推广应用至AC1 140 V电压等级的变频器中[10]。
(5) 分布式逆变器应用。利用大功率、高效率、低谐波的整流器如Vienna整流器等，配以有源滤波器、直流DVR(动态电压恢复器)等设备，在一个小范围内构建直流微网，以直流方式对该区域内的多台逆变器进行供电，分别驱动不同设备。这种高效低谐波的集中整流模式，相比单一变频器独立整流并独立处理谐波的模式，具有更高的效率，变频器也从交-直-交变成了直-交逆变器，简化了结构，降低了总体成本，而当有部分逆变器处于发电状态时，可以直接将能量反馈到直流微网，为其他逆变器提供能量，达到节能的效果。
2.2.4 矿用变频器的智能化设计
(1) 智能诊断。智能诊断功能是通过在变频器内部增加一个类似黑匣子的状态监控模块实现的。该模块全程记录变频器运行过程中的各类信息，既包括变频器输出电流、转矩等信息，也包括变频器内部环境参数、重要设备温度信息、操作记录等，这些信息可通过就地USB接口或网络远程下载，不仅有利于故障原因分析，也利于在日常的维护中及时发现隐患，提前做好处置准备。
(2) 智能控制。目前矿用变频器主要是作为一个独立的驱动设备来使用，对变频器的控制一般都是通过I/O口进行简单的启停和调速控制，即使具备通信接口，也很少以通信的方式参与控制。智能控制设计的目标就是设计高可靠性的通信网络，实现与其他相关设备的数据交互或多设备间的智能联动控制，比如带式输送机的变频器、张紧装置、物料传感器之间联动，以实现带式输送机在启动、载荷变化及速度调节过程中的张力自动控制，提高带式输送机运输效率，实现节能运行[11]。
(3) 智能操作。目前矿用变频器对于用户来说仍是具有较高技术门槛的设备，对使用和维护人员的专业技术要求比较高。智能化操作的目标主要是将操作流程和逻辑程序化，以简单的自动成组操作或一键操作替代单一设备的独立操作，提高操作效率，避免误操作。同时在设计变频器时，应尽量采用模块化结构，并采用快速接插件等方式实现模块的快速更换，以利于设备维护。
2.2.5 矿用变频器应用领域的扩展
矿用变频器已经在矿井提升设备、通风机、运输设备、乳化液泵站等设备上得到广泛应用，未来随着矿用变频器的不断发展，还有望在乳化液自动配比、采煤机与掘进机摇臂控制等更多领域发挥作用，而随着电池机车、电池胶轮车、电池单轨吊等新能源运输设备的应用，作为重要的逆变设备，矿用变频器也将发挥重要作用。
随着电力电子技术、自动控制技术的不断发展、成熟，交流电动机变频调速技术取得了突破性的进步。矿用变频器已经成为矿井生产、运输等多领域内的重要驱动设备，在煤矿的各个生产环节中发挥着重要作用，并且被不断用于新的应用场合，改善甚至颠覆原有的生产工艺流程。未来矿用变频器将朝着大功率、高电压、高可靠、低污染、高性价比方面发展，继续推动煤矿生产的现代化进程。
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ZHU Yongping1,2, XU Xiaojian3
(1.CCTEG Changzhou Research Institute, Changzhou 213015,China; 2.Tiandi(Changzhou) Automation Co.,Ltd.,Changzhou 213015, China; 3.School of Continuing Education, Changzhou College of Information Technology, Changzhou 213164, China)
中图分类号：TD608
文献标志码：A 网络出版时间：2017-09-27 13:51
网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20170927.1351.004.html
文章编号：1671-251X(2017)10-0018-06
DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.2017.10.004
收稿日期：2017-05-05；
修回日期：2017-07-16；责任编辑张强。
基金项目：江苏省科技成果转化专项资金资助项目(BA2014083)；天地科技股份有限公司科技创新项目(KJ2014-CZGF-02)。
作者简介：朱永平(1977-)，男，江苏武进人，工程师，工程硕士，现主要从事矿用电气产品及变频器设计与应用方面的工作，E-mail：zhu_cdc@263.net。
引用格式：朱永平,徐晓建.浅谈矿用变频器发展趋势[J].工矿自动化，2017,43(10)：18-23. ZHU Yongping, XU Xiaojian. Development trend of mine frequency converter[J].Industry and Mine Automation，2017,43(10)：18-23.