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                  防爆变频器的研制和开发

                        Develop of explosion-proof inverter

  摘 要：本文介绍了一种新型的防爆变频器，着重从结构和散热方面进行了阐述，在这里我们把新的散热技术—热管技术运用到变频器中，效果相当不错。

关键词：变频器    防爆    热管散热技术

Abstract: This paper introduces that how to make the inverter with explosion-proof capability. It emphasizes the structure and dispelling hot problems in this kind of inverters. The hot tube is used to dispel hot in this equipment and the effect is good .

  Key words:   inverter   explosion-proof   dispelling hot technique with hot tube

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,该产品已经过上海电气防爆检验站鉴定,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，对设备有严格防爆要求；

2、输入电压      660V±10%AC ；

3、变频器容量    30KW；

4、调速范围      2--50Hz ；  

5、保护功能  具有短路、过流、过压、欠压、超温、停电闭锁等功能；  

6、工作方式  24小时连续工作制；

7、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 。

  图1：主回路原理图

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。

                    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。

• 逆变器部分选用德国西门子公司的IGBT模块，该模块饱和压降低，母线电感小，开关频率高，结构简单，安装方便。

•  CPU控制器选用美国Intel公司的87C196MC单片机，该芯片功能齐全，运算速度快，是一种高性能的CHMOS16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。

• 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。

       防爆腔是一种根据GB3836.1-2000《爆炸性环境用防爆电气设备 通用要求》及GB3836.2-2000《爆炸性环境用防爆电气设备 隔爆型电气设备“d”》的规定制成的隔爆结构式壳体，外壳材质用Q235-A钢板焊接而成。适用于工厂存在或可能存在ⅡA、ⅡB、ⅡC级，T1～T4组可燃性气体、蒸气与空气混合形成的爆炸危险场所。

     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，它是一根真空的铜管，里面所注的工作液体是热传递的媒介。热管利用相变原理和毛细作用，通过在全封闭真空铜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。

热管工作原理如图3所示 ： 管内吸液芯中的液体受热汽化；汽化了的饱和蒸汽向冷端流动；饱和蒸汽在冷端冷凝放出热量；冷凝液体在吸液芯毛细力作用下回到热端继续吸热汽化。

  图3：  热管工作原理图

（2）变频器结构布置如图所示            

            图4：变频器平面布置图

图5：防爆腔平面结构图                          

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，后壁上通过一个过渡散热器与IGBT模块、整流模块等发热元件接合，防爆外壳外壁加焊远方散热器，过渡散热器与远方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到过渡散热器 到热管 最后通过 远方散热器散发出去。

在额定负载30KW，额定电压660V，温度测试结果如下表： 

   测试结果完全符合设计要求（温升控制在30℃范围内）。

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

防爆变频器研制开发成功，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。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。