CN103178777A

CN103178777A - 矿用隔爆兼本质安全型变频中心

Info

Publication number: CN103178777A
Application number: CN2013101281756A
Authority: CN
Inventors: 袁智; 杨贵发; 景海云; 李坦; 迟焕磊
Original assignee: CHINA NATIONAL COAL MINING EQUIPMENT Co Ltd
Current assignee: CHINA NATIONAL COAL MINING EQUIPMENT Co Ltd
Priority date: 2013-04-15
Filing date: 2013-04-15
Publication date: 2013-06-26

Abstract

矿用隔爆兼本质安全型变频中心，包括防爆壳体和安装在壳体内的输入电缆接线端、输出接线端、真空配电单元、移相变压器单元、多电平功率变换单元、水冷系统和控制单元；输入电缆连接真空配电单元，真空配电单元连接移相变压器单元和控制电源变压器，控制电源变压器为控制系统和水冷系统供电，移相变压器与多电平功率变换单元连接，多电平功率变换单元通过输出接线端连接变频中心输出和变频拖动控制的电动机，移相变压器为水冷移相变压器，控制系统对真空配电单元、多电平功率变换单元、水冷系统进行控制。本发明可直接接入煤矿井下6000VAC或10000VAC供电系统，输出电压0～3465VAC，输出频率0～50Hz，直接对1000kW/3300V等级及以下电机进行变频拖动控制。

Description

矿用隔爆兼本质安全型变频中心

技术领域

本发明涉及一种煤矿井下工作面供电及电机变频拖动控制设备，尤其能够对采煤工作面刮板输送机设备的大功率电机进行变频拖动控制的设备。

背景技术

煤矿正开采朝着高产、高效、节能方向发展，受井下空间限制，要求设备在满足应用需求的同时尽可能减小体积，降低成本。近年来，煤矿井下工作面开始应用大功率变频节能设备。目前，井下工作面刮板输送机设备大功率电机的变频控制通常采用移动变电站变压、组合开关配电、变频器拖动的方式，整个系统主要有两种构成模式：一种是移动变电站、组合开关、变频器和电机构成，另一种是移动变电站、组合开关、变频一体电机构成。现代煤矿井下通常采用6000V以上等级电压供电，在采煤工作面需首先利用移动变电站进行降压至3300V或者1140V电压，之后通过组合开关配电，为变频器或者变频一体电机供电，现有变频控制结构模式造成工作面设备较多，成本较高，占用空间较大，不利于设备的使用和维护。

为了克服目前煤矿井下工作面大功率设备电机变频拖动系统构成复杂、体积较大、使用不便等弊端，本发明提供一种矿用隔爆兼本质安全型变频中心。

发明内容

本发明提供的矿用隔爆兼本质安全型变频中心，集变压、配电、变频拖动功能于一体，输入能够直接接入煤矿井下6000V电压等级或10000V电压等级供电系统，输出能够针对1200kW/3300V等级及以下的矿用大功率电机进行变频拖动控制，使煤矿井下工作面设备尤其是刮板输送机电机的变频拖动系统实现简约化和集成化。

矿用隔爆兼本质安全型变频中心，包括防爆壳体和安装在防爆壳体内的输入电缆接线端、输出接线端、真空配电单元、移相变压器单元、多电平功率变换单元、水冷系统和控制单元；防爆壳体可分为安装真空配电单元的真空配电装置腔、安装移相变压器的移相变压器腔、安装多电平功率变换单元的多电平功率变换单元腔、安装水冷散热系统的散热系统腔和安装控制单元的控制系统腔；在防爆壳体内，输入电缆接线端连接煤矿井下工作面的高压供电电源，为变频中心供电，输入电缆另一端连接真空配电单元，真空配电单元的输出端连接移相变压器单元和控制电源变压器，控制电源变压器为控制系统、水冷系统供电，移相变压器的输出端与多电平功率变换单元连接，多电平功率变换单元连接输出接线端，输出接线端另一端连接变频中心输出和变频拖动控制的电动机，其中，移相变压器为水冷移相变压器，由水冷系统为移相变压器、多电平功率变换单元进行冷却，控制系统对真空配电单元、多电平功率变换单元、水冷系统进行控制，对整个系统进行监测保护。

变频中心采用两相限运行模式，可选带速度传感器矢量控制或者V/F控制，具备过流保护、过压/欠压保护、缺相保护、短路保护、过载保护、电机过热保护、接地保护、漏电闭锁、超温保护、水冷系统故障保护功能，采用内外水循环冷却方式。

所述输入电缆接线端用于连接煤矿井下工作面高压供电电缆，为变频中心供电。同时，备用一个接线端，并联供电电路，用于为其它设备提供高压电源。

所述真空配电单元连接外部电源与内部移相变压器，实现输入电源分断及故障跳闸管理，并实现装置内部故障时与电网脱离保护，限制变频器上电初期充电电流。通过手动操作手柄将隔离开关与母线分离，实现高压隔离刀闸作用。

所述水冷移相变压器连接配电单元与多电平功率变换单元，用于实现对输入电源的降压移相，为每个功率变换单元提供715AC±2％低压电源。移相变压器原边采用星型接法，副边9个绕组输出，整体移相，不同的副边绕组之间有一定的相位差，可消除电网中因后级功率单元电力电子器件工作产生的谐波电流，输入电流的总谐波含量(THD)远小于国家标准5％的要求，采用去离子水水冷散热方式。

所述多电平功率变换单元采用H桥级联多电平方式，每相采用三级串联，整个多电平功率变换单元三相共9个功率变换单元模块。每个功率变换单元模块采用三相全波整流，整个多电平功率变换单元整流侧等效为54脉波整流，可大大降低注入电网的谐波电流，且功率因数大于0.95。多电平功率变换单元输出电压0～3465VAC可调，电平数高达13电平，正弦度高，供电距离远，变频中心输出的直接供电距离最大可达到500m，超过500m时需在输出侧安装输出滤波器。额定输出电压3300VAC，频率0～50Hz。

所述水冷系统为移相变压器、多电平功率变换单元进行冷却，采用双水冷循环泵控制，一工一备双泵，提高水冷系统的工作稳定性。水冷系统内外水隔离，内循环散热介质为去离子水，可有效增强绝缘隔离度，满足10kV绝缘国家标准规定的电导率要求。外水可承受3MPa压力。冷却系统总散热能力为55kW，系统最大总发热量35kW。水冷控制系统对电导率实时进行监测，电导率超过阈值后报警并触发系统跳闸断电。

所述控制系统采用Siemens S7-200PLC控制器，对真空配电单元、多电平功率变换单元、水冷系统进行控制，对整个系统的进行监测保护，具备矿用变频设备标准规定的保护功能：过流保护、过压/欠压保护、缺相保护、短路保护、过载保护、电机过热保护、接地保护、漏电闭锁、超温保护、水冷系统故障保护功能，并具备多机功率(转矩)平衡控制功能与远程控制功能。控制系统通过一块昆仑通态TCP7062KX七寸触摸屏，对设备状态和控制状态进行显示。

本发明集成了工作面高压移动变电站、组合开关、变频器设备功能，能够取代煤矿井下顺槽移动变电站、组合开关、变频器设备，减少工作面设备数量和体积，降低成本，实现降本节能提效。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是矿用隔爆兼本质安全型变频中心的正面视图。

图2是矿用隔爆兼本质安全型变频中心的正面右侧视图。

图3是矿用隔爆兼本质安全型变频中心的背面左侧视图。

图4是1000kVA/6000V/3300V矿用隔爆兼本质安全型变频中心的电气系统图。

图5是1200kVA/10000V/3300V矿用隔爆兼本质安全型变频中心的电气系统图。

图6是矿用隔爆兼本质安全型变频中心的原理图。

图7是矿用隔爆兼本质安全型变频中心功率单元电气图。

图中，1为真空配电单元腔，2、3为多电平功率变换单元腔的门，4为水冷移相变压器单元腔，5为散热系统腔，6为控制单元腔，7为输出接线端，8为输入接线端，9为多电平功率变换单元腔。

具体实施方式

变频中心的结构，如图2所示，本发明的矿用隔爆兼本质安全型变频中心，防爆壳体可分为真空配电单元腔(1)，水冷移相变压器单元腔(4)，散热系统腔(5)，控制单元腔(6)和多电平功率变换单元腔(9)。变频中心输入接线端(8)连接外部电源与变频中心，为变频中心供电。真空配电装置腔(1)内部安装真空配电单元，用于进行配电和监测保护，真空配电单元输出连接至水冷移相变压器单元腔(4)，与水冷移相变压器的输入端相连，为移相变压器供电。移相变压器输出与多电平功率变换单元腔体(9)相连，为多电平功率变换单元的各个功率变换模块供电。其中，为了减小开门空间，适应煤矿井下空间狭小条件，多电平功率变换单元腔体(9)设置了两个门(2、3)，方便使用和维护。多电平功率变换单元输出通过输出接线端(7)，连接外部电缆，为电机设备供电。控制单元安装于控制单元腔(6)中，控制变频中心真空配电单元、功率变换单元、移相变压器、水冷系统的工作。散热系统腔(5)内安装水泵以及内外水循环散热装置。

图4为1000kVA/6000V/3300V矿用隔爆兼本质安全型变频中心的电气原理图，其输入电压为6000VAC±10％，输入电源频率50±3Hz，输出电压0～3465VAC，额定输出电压3465VAC(即3300V)，额定输出电流175A，输出频率0～50Hz，频率分辨率0.01Hz，额定功率1000kVA。变频中心的输入接线端连接外部6000Vac供电电源，为整个变频中心供电。外部电源进入变频中心后，首先进入真空配电单元，进行相应的配电和保护监测。真空配电单元输出两路，一路供给10kVA/6kV/380V控制变压器T1，用于为控制单元、水冷系统和散热系统供电；另一路连接-水冷移相变压器T2。水冷移相变压器总容量1130kVA，采用Y/延边三角形/yn接线方式，副边绕组有9路输出，每路输出715Vac，分别连接多电平功率变换单元的9个功率单元变换模块，采用整体移相方式，每绕组125kVA，每个模块连接一路功率变换单元。

如图5所示，12000kVA/10000V/3300V矿用隔爆兼本质安全型变频中心，输入电压为6000VAC±10％，输入电源频率50±3Hz，输出电压0～3465VAC，额定输出电压3465VAC(即3300V)，额定输出电流210A，输出频率0～50Hz，频率分辨率0.01Hz，额定功率1200kVA。变频中心的输入接线端连接外部10000Vac供电电源，为整个变频中心供电。外部电源进入变频中心后，首先进入真空配电单元，进行相应的配电和保护监测。真空配电单元输出两路，一路供给10kVA/6kV/380V控制变压器T1，用于为控制单元、水冷系统和散热系统供电；另一路连接-水冷移相变压器T2。水冷移相变压器总容量1355kVA，采用Y/延边三角形/yn接线方式，副边绕组有9路输出，每路输出715Vac，分别连接多电平功率变换单元的9个功率单元变换模块，采用整体移相方式，每绕组150kVA，每个模块连接一路功率变换单元。

多电平功率变换单元采用H桥级联多电平变换结构，每相3个功率单元变换模块串联，如图6电气原理图所示。多电平功率变换单元的3相输出通过变频中心输出接线端，连接外部电机设备。多电平功率变换单元采用去离子水水冷方式进行冷却散热。

每个功率变换单元模块主回路电路如图7所示。功率变换单元输入端接变压器二次侧绕组低压输出端，经过三相全波整流桥后，形成直流电压，经电容滤波后，供给由IGBT功率模块组成的H桥逆变电路。逆变电路IGBT通过接收光纤触发信号，经过PWM控制技术控制输出。每相共有3个功率变换单元模块串联，输出为3个功率变换单元模块输出的SPWM波的叠加，输出电压电平数高达13电平，输出波形正弦度较高，dv/dt较小，在低速下也能保持很好的波形，对电缆和电机的绝缘无特殊要求，适用于常规的电缆和电机，而且变频中心直接供电距离最大达500m，超过500m时可在输出侧安装输出滤波器。本装置采用移相变压器，可以消除电网中因功率单元内电力电子器件工作而产生的谐波电流，输入电流的总谐波含量(THD)远小于国家标准5％的要求，并且能保持接近1的输入功率因数，可有效改善网侧电能的质量。输出可选用有速度传感器矢量控制或者V/F控制，转速控制精度为0.04％。

Claims

1.矿用隔爆兼本质安全型变频中心，包括防爆壳体和安装在防爆壳体内的输入电缆接线端、输出接线端、真空配电单元、移相变压器单元、多电平功率变换单元、水冷系统和控制单元；防爆壳体可分为安装真空配电单元的真空配电装置腔、安装移相变压器的移相变压器腔、安装多电平功率变换单元的多电平功率变换单元腔、安装水冷散热系统的散热系统腔和安装控制单元的控制系统腔；在防爆壳体内，输入电缆接线端一端连接煤矿井下工作面的高压供电电源，另一端连接真空配电单元，真空配电单元的输出端连接移相变压器单元和控制电源变压器，控制电源变压器为控制系统、水冷系统供电，移相变压器的输出端与多电平功率变换单元连接，多电平功率变换单元连接输出接线端，输出接线端另一端连接变频中心输出和变频拖动控制的电动机，其特征在于，所述移相变压器为水冷移相变压器，由水冷系统为移相变压器、多电平功率变换单元进行冷却，控制系统对真空配电单元、多电平功率变换单元、水冷系统进行控制，对整个系统进行监测保护。

2.如权利要求1所述的矿用隔爆兼本质安全型变频中心，其特征在于，所述的多电平功率变换单元采用H桥级联多电平方式，每相采用三级串联，连接三个功率变换单元模块，每个功率变换单元模块采用三相全波整流，整个多电平功率变换单元输出电压电平数为13电平，输入等效为54脉波整流，且功率因数大于0.95。

3.如权利要求2所述的矿用隔爆兼本质安全型变频中心，其特征在于，所述的移相变压器原边采用星型接法，副边9个绕组输出，为整体移相。

4.如权利要求1或2或3所述的矿用隔爆兼本质安全型变频中心，其特征在于，所述的移相变压器与多电平功率变换单元采用去离子水水冷冷却方式，水冷系统内外水隔离，内循环散热介质为去离子水，水冷系统采用双水冷循环泵控制，一工一备双泵。

5.如权利要求1或2或3所述的矿用隔爆兼本质安全型变频中心，其特征在于，所述的控制系统采用Siemens S7-200PLC控制器，控制系统通过触摸屏对设备状态和控制状态进行显示。

6.如权利要求4所述的矿用隔爆兼本质安全型变频中心，其特征在于，所述变频中心输入电压6000VAC±10％，输入电源频率50±3Hz，额定输出电压0～3465VAC，额定电流175A，输出频率0～50Hz，频率分辨率0.01Hz，额定功率1000kVA，采用两相限运行模式，带速度传感器矢量控制，变频中心输出直接供电距离最大为500m，超过500m时需在输出侧安装输出滤波器。

7.如权利要求4所述的矿用隔爆兼本质安全型变频中心，其特征在于，所述变频中心输入电压6000VAC±10％，输入电源频率50±3Hz，额定输出电压0～3465VAC，额定电流175A，输出频率0～50Hz，频率分辨率0.01Hz，额定功率1000kVA，采用两相限运行模式，V/F控制，变频中心输出直接供电距离最大为500m，超过500m时需在输出侧安装输出滤波器。

8.如权利要求4所述的矿用隔爆兼本质安全型变频中心，其特征在于，所述变频中心输入电压10000VAC±10％，输入电源频率50±3Hz，额定输出电压0～3465VAC，额定电流210A，输出频率0～50Hz，频率分辨率0.01Hz，额定功率1200kVA，采用两相限运行模式，带速度传感器矢量控制，变频中心输出直接供电距离最大为500m，超过500m时需在输出侧安装输出滤波器。

9.如权利要求4所述的矿用隔爆兼本质安全型变频中心，其特征在于，所述变频中心输入电压10000VAC±10％，输入电源频率50±3Hz，额定输出电压0～3465VAC，额定电流210A，输出频率0～50Hz，频率分辨率0.01Hz，额定功率1200kVA，采用两相限运行模式，V/F控制，变频中心输出直接供电距离最大为500m，超过500m时需在输出侧安装输出滤波器。