吴世均
（上海伟肯实业有限公司，上海201806）
煤矿采掘面驱动刮板机、转载机和破碎机的设备，都要求无极调速、低频大转矩特性，传统的液力偶合器调速系统根本无法满足工况要求。采掘面3.3KV 供电系统早已得到应用,3.3KV 防爆高压变频器应运而生。本文以模块化思路实现高压防爆变频器设计，规避共整流方式的缺点，满足变频器故障不停运，快速维修的要求，为煤矿可靠地实现智能化生产做出一定贡献。1项目概况本项目设计3.3kV 组合防爆高压变频器，包括两组合、三组合两个大的类型，每一个类型包括1250kW 和2000KW 两个功率段的变频器，由于涉及到多种变频器，
而同功率的两组合和三组合变频器，物料类型相同，所以变频器主回路采用多个单独主回路拓扑结构，并且对主回路进行划分，
形成了5个功能模块。控制回路也进行划分，形成内控和外控两大模块。相同功率的
变频器，
就可以直接使用这些功能模块，既减少了设计工作量，又利于提高生产和售后服务效率。
2整机设计
矿用组合高压防爆变频器主回路采用交直交电压型拓扑，整流拓扑结构采用串联12脉动整流或者6脉动三相桥式整流、 直流采用模块式薄膜电容、逆变采用一字型三电平拓扑。
如图1所示的12脉动的3.3KV 单台高压防爆变频器主回路拓扑图。在三组合变频器中，含有三台相同的变频器，
三台变频器的主回路完全相互隔离，其中任何一台变频器出现故障，
可以直接断掉电源，启动备用变频器，或者剩下的变频器投入运行，不影响煤
矿的生产。可将图1的主回路划分为5个模块：（1）功率输入单
元：包括高压继电器、预充电电阻、
主真空接触器KM1和KM2。（2）模组Z+U ：包括整流部分、均压电阻和逆变U 相。（3）模组
V+W ：包括逆变V 相和逆变W 相。（4）储能单元，
包括C1-C6的薄膜电容。（5）功率输出单元，也就是输出电抗器，如图2所示。
在整机布局中，可以将组合变频器的所有功率输入单元统
一放入外控腔，将剩下部分放置在变频腔中，这样组合变频器就
由一个外控腔和多个变频腔构成。如图3所示，是三组合变频器，由一个外控腔和三个变频腔构成。
图3三组合整机防爆变频器
摘要：本文介绍了3.3kV 矿用组合高压变频器的设计过程，主要论述了如何对主回路以及控制回路的划分，
形成多个功能模块，实现模块化设计。并且对部分元器件作用以及选型设计做了详细的论述，
银触点标准列举了水冷仿真实验、短路试验等数据。组合变频器通过上海防爆站认证，并且在工业现场得到应用。
关键词：组合变频器；一字三电平；模组化设计；在线绝缘检测中图分类号:TD679文献标识码:A 文章编号:2096-4390(2021)
14-0179-03
图112脉动单台3.3KV 高压防爆变频主回路拓扑
图2单台高压变频器主回路模块划分方
案
179--
科学技术创新2021.14
主回路所有的单元，在单体、两组合、三组合防爆变频器中，同功率段的单元相同，彼此之间相互共用，减少库存和配件种类。变频器逆变侧控制部分，包含变频器主控板、信号板、相应的开关电源、给驱动供电的开关电源等，构成了内控盒，显然一个变频器腔需要一个内控盒。组合变频器中，为了接受外部电控控制、监控组合变频器使用情况、适应现场工况设置多种控制模式，构成以PLC 为核心外控盒。这样变频器控制回路就分成外控和内控两大模块，如图3所示，由一个内控盒，三个外空盒构成。内控盒到模组之间的控制线和光纤、外控盒到内控盒的控制线可以预先设计成快插形式的多芯电缆，由线束厂标准化生产，进一步提高生产效率，杜绝了因导线连接不当造成的故障。3设计要点3.
1电气拓扑结构如图1所示，预充电采用主真空旁路预充方式，当主回路上电后，变频器启动信号控制高压继电器吸合，
通过预充电电阻给直流电容充电，直流母线电压达到3700V 时，主真空KM1和
KM2吸合，高压继电器断开，变频内运行。整流采用串联12脉动整流，由于输入相位相差30°，使得变压器原边电流更接近正
弦波，对5次、7次、17次和19次电流谐波能起到很好的抑制作
用。输入谐波电流小，
所以输入端不用加输入电抗器。这种整流方式主要用在刮板机、
转载机上和皮带机上。破碎机负载，现场供电多采用3300V 供电，因此整流必须采用6脉动整流，
变频器输入端要增加输入电抗器，抑制谐波电流。12脉动整流后，
整流部分产生中线电位BUS00，它的电势完全由输入电压1L 和
2L 决定，当这两路输入电压不均衡时，BUS00会产生中线电位
偏移，所以BUS00电位不可控，整流中线就不和逆变侧中线相连。均压电阻的作用有两个，
一是上主电后，保证BUS0电位不偏移，二是断主电后，直流电容的电能通过均压电阻释放掉大
部分电能。假设C1-C6的电容容量是1400μF ，则储能单元总容量是2100μF 。按照国家3836标准第6.3条标准规定，要求主回路断电后，放电20分钟储能单元剩余电量小于0.2mJ ，根据公式：（1）其中：C 为直流电容C1-C6的电容总容量，单位是F ，W 为电容电量，单位是J 。就可以计算出放电20分钟后的安全电压U 0：（2）均压电阻释放储能单元电能，放电时间与电压之间的关系：
（3）可得：（4）其中：t 是放电时间，C 为储能单元总容量。要求，t=1200s ，，实际应用中，BUS+、BUS-之间电压值在5000V 左右，所以根据公式(4)可得：，电阻消耗的功率
。
综合考虑电阻功率消耗，放电时间等因数，
每个均压电阻取值为200K Ω，同时主回路增加放电单元。
根据公式(3)，放电15分钟后，母线电压值约为200V ，此时由外控PLC 控制投入放电单元，快速放掉剩余电能。C7、C8是无感薄膜吸收电容，
作用是吸收U-T1至U-T4四个IGBT 在关断时产生的电压尖峰值。根据
公式：（5）
其中：L 是叠层回路的杂散电感值，是IGBT 关断时电
流变化率，设计要求满足如下条件：IGBT 承受最大直流母线电压时，IGBT 短路，短路电流是IGBT 额定电流的4倍以上时，
。电阻R13是为了IGBT 均压而设计的。假设“1”表示IGBT 导通，“0”表示关断，则U-T1至U-T4的调制顺序为：1100→0100→0110→0010→0011→0010→0110→0100→1100。当IGBT 处于0011状态时，此时U-T1和U-T2关断，U-T3和U-T4导通，母线电压BUS+、BUS-全部加在U-T1和U-T2上，期望状态是两个IGBT 均分电压，
但是IGBT 关断时，集电极和发射极电阻随使用时间、寿命、工艺等情况，会出现不一致，那么U-T1和U-T2就不能均分母线电压。因为U-T3导通，
所以电阻R13并联在U-T2上，只要选着合理的R13阻值，很容易满足，此时A 点的电压值小于
二分之一母线电压值，
BUS0大于A 点电压值，嵌位二极管D1
导通，将A 点电压值嵌位在BUS0，使U-T1和U-T2承受相同
电压。同理在1100状态时，电阻R13配合嵌位二极管D2，将B 点电压值嵌位在BUS0，使U-T3和U-T4承受相同电压。在煤矿井下，因为中央变电所供电负载变化大，电压很难满足行业规定的-15%~10%变化范围，很多现场供电电压瞬时会
接近1.15倍额定电压，所以单个直流电容的额定电压不能小于
小家电控制板
2700V ，而变频器过压保护值设定为5800V ，所以图1中直流电
容C1-C6的额定电压设计为3000V 。功率与电容容量、
电压的关系：（6）显然变频器刚上电时母线电压最高，约为：，额定负载后，
母线电压最低，不能小于，储能单元向逆变提供的功是：
（7）根据功与功率的关系：W=p ×t 可得公式：（8）
其中：p e 是变频器额定功率；f r 是整流脉动频率，显然，6脉动整流时：，12脉动整流时：，因此只考虑6脉动整流时直流电容取值；C min 就是额定负载时满足最小直流母线电压时要求最小直流电容值，
根据(8)可得，2000kW 变频器的最小直流电容，在本项目中，C1-C6单个电容设计为1400μF ，储能单元的总容量是2100μF 。根据文献[2]结论，PWM 变频器输出电压在长电缆中将产生
行波反射现象。将严重影响电机和电缆的绝缘。根据文献[3]结
论，
输出电抗器的直接作用即为延长PWM 电压脉冲上升时间，可以较好解决电机端过压问题。同时电感基本作用是阻碍电流的变化，当变频器发生II 次短路时，能有效减少电流的变化率，防止大电流对IGBT 的冲击。因此在本项目中，统一设计输出电抗器，当电机超过1000米时，还会增加RC ，构成RLC 低通滤波器。
3.2散热设计首先要考虑模组V+W 散热设计，在负载 212
w
cu
00.44U 0e t
Rc e U U 0
ln e
t
R U c U 00.44U V =6120()R 4086R P W di d V L t di
dt
V 1000V
12//13CE U T CE U T R R R 2
12w
刺辊cu 33004700max U V 3900min U V
22
max m
n
min i 12
--e max w w w C U U
min 2
2min 2f e
max r
p C U U 300r f Hz 600r f Hz （）1938min C F （转下页）180--
2021.14科学技术创新2000KW 时，该模组散热量是15kW ，综合考虑导热率、
耐水压、价格因数和加工难度，最终选择铝板，但铝水冷板水压最高不能超过1MPa ，因此要求供水水压范围为0.4~1MPa 。通过实测，煤矿井下供水水压范围0.8~3MPa 之间，因此水冷输入端必须
安装减压阀和安全阀，井下水质较差，还需安装过滤阀，
防止水垢等堵塞水道。
3.3安全性设计
采掘类负载，电机导线随设备列车伸缩运动，
很容易被尖锐物体刮破。因为导线长，变频器发生II 次短路时，变频器保护有
延时。所以本项目中，在变频器中线上设置在线绝缘监视仪，
实时检测检测整个系统的绝缘值。在3.3KV 系统中，国标规定绝缘电阻小于120K Ω报漏电故障，通过在线绝缘监视仪实时检测，可以将漏电绝缘提高到10M Ω，大大整个供电系统安全性。
4实验结果
4.1模组水冷实验
2000KW 三组合变频器，在额定负载，水流量60LPM ，近口
水温25℃，模组V+W 的水冷仿真实验，水冷基板最高温度
48.8℃，温升23.8℃。通过实际满载温升实验，
与仿真结果一致。4.2短路试验
W-T1对中线短路的II 次短路试验波形，CH3通道是IGBT
的集电极电流，CH4通道是Vce 电压值，分析可知，
最大电路电流4.72KA ，半母线电压2600V ，电压过冲值。
4.3整机实验
整机实验包括水压实验、爆炸实验、
耐潮实验、压频比实验、温升实验、EMC 实验等，均通过了上海防爆站验证，
取得了防爆合格证。产品在小保当等多个煤矿得到应用，
运行良好。5结论
尺码圈3.3kV 矿用组合高压防爆变频器，通过合理拓扑划分，可将
主回路和控制回路进行模块化设计，
多功能电源插座使得单体、两组合和三组合变频器可以共用相同模块，简化了设计工作量，
提高了生产效率，也方便了煤矿对设备的维护，整机布局合理、性能可靠，满
足煤矿对高可靠性、无极调速和低频大转矩的要求。
参考文献
[1]王志.矿用高压组合变频器设计[J].江西煤炭科技,2020,3.
[2]李晓，王璁，屠幼萍.电机驱动用长电缆破坏机理分析及防护[J].电气传动,2014,44（4）.
[3]徐政，金立军，林秀剑，阳林，张胜锰.基于输出电抗器的PWM 长线驱动系统反射过电压的抑制[J].机电工程,2016,（33）3.
作者简介：吴世均(1980,11-)，男，汉族，籍贯：四川简阳，职称：
工程师，研究方向：电气自动化。
一种水面清洁机器鱼的设计
郭李雯戴怀轩张泽宇秦祖昌何佳
（河海大学机电工程学院，
江苏常州213001）对于水面垃圾的清理，现多采用人工打捞或大型综合清污
装置，但两者都体积庞大，在狭窄的水域移动不便，
成本过高而效率较低；另外，现有技术多只能检测水面垃圾，
无法得到立体断面的垃圾污染分布情况。
基于此，笔者设计出一种新型的胸鳍辅助尾鳍运动的水面
垃圾清洁机器鱼，利用其在水体中自由游动、
沉潜的特点主要解决狭小水域固体垃圾的水面清理问题。
1研究背景
随着人工智能技术的不断发展和机械制造自动化需求的增长，智能化机器人技术尤其是仿生机器人迅
速发展并引起国内外的广泛关注，机器人在水域的应用也更加广泛。鱼类通过身体运动推动周围的水，以此来获得非凡的游动能力，对于涡流的精确控制使得鱼类游动推进效率高、机动性好。模仿鱼类的游动推进模式，研制出高效低噪灵活机动的仿生机器鱼，用以进行水面及水下多种多样复杂作业，已经成为研究人员追求的目标。
多数国家所开发出的垃圾清理船，
定位于江、河、湖、海等大面积水域的垃圾清理，大多是在传统船舶基础上加设一套垃圾收集装置，船体体积大，排水量大，内燃机驱动，有人驾驶，机动性不佳。采用传统螺旋桨推进器的水下机器人，在螺旋桨旋转推进过程中会产生侧向的涡流，增加能源消耗、降低推进效率且噪声较
大[1]。除此之外，多数清洁水面的机器人采用箱体结构，
偏心井口
运动范围固定，只能收集水面垃圾。
2装置分析与优化设计2.1流体分析及外壳设计
流线型物体能显著降低流体阻力并广泛应用于机械制造，
设计首先提出几种简单的流线型线条设计鱼体，
建立三种外形的机器鱼外形在水中的二维截面运动模型进行仿真，模型网格化并通过fluent 采用标准的K-ε湍流模型对截面在摘要：为提高水面清洁的灵活性与智能性，设计出一种新型的水面垃圾清洁机器鱼，利用机器鱼在水体中灵活游动的特点，主要解决狭小水域浅层固体垃圾的清理问题。机器鱼的结构稳定，
成本较低，电力驱动无污染。通过无线通信模块操作者遥控机器鱼的运动方向实现其上浮下潜；依靠舵机输出规律控制尾鳍摆动以驱动前行与胸鳍翻转以改变行进方向与沉潜使运动更加灵活；最终借助水体的反作用力将水体垃圾送至网状收集装置从而达到水面垃圾的清洁目的。
关键词：水面清洁；机器鱼；
无线通信；灵活性中图分类号:TP242文献标识码:A 文章编号:2096-4390(2021)14-0181-04（转下页）181--
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议