基于混合级联桥式整流的矿用高压组合变频器研究与应用

矿用隔爆变频器已经在煤矿井下得到大量应用，一般一台变频器带一个交流电机，但是井下刮板机或皮带机驱动系统一般为2-3台交流电机。这样需要2-3台变频器通过通讯组成主从控制系统共同驱动整部皮带机或刮板机，来实现功率平衡及重载起动，系统中的每台变频器都要外接供电、加上隔爆外壳和冷却系统。若采用该方案存在成本高、占用空间大、功率平衡控制与受通讯线路影响等问题。为解决上述问题，近几年一些公司针对煤矿皮带、刮板机等场合开发了组合式变频器并得到应用。组合式变频器是将多台逆变部分整合到一个防爆变频器壳体内，共用一个整流模块及直流母线，可以进一步减小体积。

目前市场上的组合式变频器多采用ABB 公司的ACS800 多传动系统方案或者西门子公司G130、S120模组式系统方案。现有方案大多采用二极管箝位式多电平变换器或者级联式多电平变换器。一般采用工频移相变压器提供多路隔离的交流电压输出提供给变频器的整流模块，同时通过改进连接方式提高功率因数。但近年来随着铜材等原材料价格上涨，导致变压器成本不断提升，而且工频变压器体积庞大，为井下安装带来了不便。如果变频器整流端采用多电平PWM整流器也可提高功率因数并取消移相变压器的使用，同时实现四象限运行。但是由于多电平PWM 整流器采用了大量的全控型电力电子器件，增加开关损耗，降低了电能变换效率，提高了装置成本，而且在煤矿很多场合下并不需要变频器的四象限运行。

为了解决目前矿用组合式变频器存在的上述问题，本项目针对煤矿井下刮板机或皮带输送系统等应用场合，开发了一套没有工频移相变压器，同时具有较高功率因数、体积更小的矿用高压大功率组合式变频器，并在煤矿推广应用。

1 主要研究内容

（1）混合级联桥式整流器研制

研究由二级管H 桥整流电路和全控型电力电子器件H桥整流电路构成的混合级联桥式整流器。以利用该整流器的输出与高频隔离DC-DC 变换器连接作为变频器的整流单元，取消工频移相变压器，降低组合式变频器的体积和成本。

（2）混合级联桥式整流器的控制策略研究

针对混合级联桥式整流器，研究兼顾各H桥直流电压平衡且能够实现整流器单位功率因数运行的控制策略。

（3）组合式变频器隔爆外壳研制

以降低组合式变频器隔爆外壳的重量和成本为目标，对多种钢材综合性能进行分析对比，选取合适的隔爆外壳材料，并以此设计、开发组合式变频器隔爆外壳。

（4）具有防凝露功能的散热系统研究

研究综合利用具有防结露功能的水冷装置和智能湿度保护模块来有效防止腔壁结露产生的方案，以降低防爆腔内因潮湿环境导致短路的风险，进一步提高组合式变频器的可靠性。

2 创新点

（1）开发了额定电压3300V、额定功率2×1250kW的矿用高压组合变频器。

（2）研制了由二级管H 桥整流电路和全控型电力电子器件H 桥整流电路构成的混合级联桥式整流器，利用该整流器的输出与高频隔离DC-DC 变换器连接作为变频器的整流单元，取消了工频移相变压器，降低了组合式变频器的体积和成本，解决了现有变频器因体积庞大且笨重造成的难以运输等问题。

（3）针对混合级联桥式整流器，提出了一种兼顾各H桥直流电压平衡且能够实现整流器单位功率因数运行的控制策略。混合级联桥式电路拓扑配合相应的控制策略不仅可以实现单位功率因数运行，而且可以实现单位功率因数的可控运行。

（4）选用了Q460 钢材制作防爆外壳，降低了体积和重量。防爆腔内选用了一种防止结露的水冷系统设计，提高了组合式变频器的可靠性。

3 主要达到的技术指标

（1）设计了额定电压3300V、额定功率2×1250kW的矿用高压组合变频器；

（2）取消了工频移相变压器，每台组合变频器可降低成本超过20万元；

（3）组合变频器的功率因数达到0.99以上；

（4）采用了Q460 高强度钢作为隔爆外壳的材料，每台组合变频器可降低成本超过3万元，重量可减少2吨以上；

（5）有效解决了腔壁结露的产生，降低了防爆腔内因潮湿环境导致短路的风险；

（6）与采用工频移相变压器的变频器相比，组合变频器的电气部分体积可降低1/5。

4 研究成果及应用效果

图1 矿用高压组合式变频器样机

本项目所开发的高压组合式变频器（见图1）具有体积小、成本低、效率高和功率因数高等优点，提出的控制策略可以兼顾各H桥直流电压平衡且能够实现整流器单位功率因数运行。依托本项目发表SCI检索的期刊论文1篇，EI检索的期刊论文3篇，中文核心期刊论文2 篇。获授权发明专利3 项，制定1 项企业标准，制造样机多台。本项目所研制的组合式变频器自2018年9月开始在同煤浙能麻家梁煤矿进行工业运行试验以来，取得了较好的试验效果，给煤矿带来了较好的经济效益。由于该组合变频器具有体积小、成本低、功率因数高等优点。之后，陆续在同煤马道头煤矿、同煤同发东周窑煤矿得到推广应用。本项目不仅可明显降低使用单位的煤炭生产成本，同时给本产品的生产单位创造良好的经济效益，得到了用户的高度肯定。本项目的研究在一定的程度上促进了本领域技术水平的提高，推动了煤炭行业电气领域的科技进步。