Li Jinjie, Tian Yufang, Chen Shiwen (Wenshang 272500), Shandong Fengguang Electronics Co., Ltd.; Han Wenzhao (Jinan), Shandong University. Zusammenfassung: Dieser Artikel beschreibt die Entwicklung explosionsgeschützter Frequenzumrichter mit Fokus auf deren Struktur und Wärmeableitung. Hierbei wird eine neue Technologie – die Wärmerohrkühlung – für den Frequenzumrichter angewendet, was zu hervorragenden Ergebnissen führt. Schlüsselwörter: Frequenzumrichter, explosionsgeschützt, Wärmerohrkühlung. I. Einleitung: Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Leistungselektronik hat sich die Technologie der variablen Frequenzregelung zunehmend etabliert, und universell einsetzbare Frequenzumrichter haben sich rasant entwickelt. Frequenzumrichter verschiedener Hersteller werden in diversen Branchen der Automatisierungstechnik eingesetzt. In Bereichen mit hohem Vorkommen explosiver Gase und Stäube (Kohlebergwerke, Kokereien und einige Chemieanlagen) finden Frequenzumrichter jedoch noch keine breite Anwendung. Der Hauptgrund hierfür ist, dass Frequenzumrichter in diesen Bereichen explosionsgeschützt sein müssen und derzeit keine ausgereiften Produkte dieser Art auf dem Markt verfügbar sind. Auf dieser Grundlage hat die Shandong Fengguang Electronics Co., Ltd. in Zusammenarbeit mit der Datun Coal and Power (Group) Co., Ltd. erfolgreich einen explosionsgeschützten Frequenzumrichter für den Einsatz im Bergbau entwickelt und gefertigt. Das Produkt wurde von den zuständigen Behörden zertifiziert und ist nun offiziell im Kohlebergwerk Datun im Einsatz. II. Technische Anforderungen an den Frequenzumrichter: 1. Betriebsumgebung: Umgebungen mit explosionsgefährdeten Gasen oder hoher Staubbelastung (explosionsgeschützt); 2. Eingangsspannung: AC 660 V ± 10 %; 3. Drehzahlbereich: 2–50 Hz; 4. Schutzfunktionen: Schutz vor Kurzschluss, Überstrom, Überspannung, Unterspannung, Übertemperatur und Stromausfall; 5. Betriebsart: 24-Stunden-Dauerbetrieb; 6. Die übrigen technischen Spezifikationen entsprechen denen von Standard-Frequenzumrichtern. III. Funktionsprinzip des Frequenzumrichters 1. Hauptschaltung: Die Hauptschaltung des Frequenzumrichters umfasst einen Leistungsschalter, einen Dreiphasengleichrichter, Filterkondensatoren und einen IGBT-Wechselrichter. Abbildung 1: Blockdiagramm des elektrischen Funktionsprinzips der Hauptschaltung 2. Steuerschaltung: Die Steuerschaltung des Frequenzumrichters umfasst eine CPU, eine IGBT-Ansteuerschaltung, eine Strom- und eine Spannungserfassungsschaltung, eine Schutzschaltung und eine Betriebsanzeige. Das Blockdiagramm des Funktionsprinzips ist in Abbildung 2 dargestellt. 3. Die im Wechselrichter verwendeten Hauptkomponenten sind Markenprodukte weltbekannter Hersteller und zeichnen sich durch hervorragende Leistung und hohe Zuverlässigkeit aus. (1) Der Wechselrichter verwendet das IGBT-Modul der Siemens AG, Deutschland. Dieses Modul zeichnet sich durch niedrige Sättigungsspannung, geringe Zwischenkreisinduktivität, hohe Schaltfrequenz, einfache Struktur und bequeme Installation aus. (2) Die CPU verwendet den 87C196MC-Mikrocontroller der Intel Corporation, USA. Dieser Chip bietet umfassende Funktionen, hohe Schaltgeschwindigkeit und ist ein leistungsstarker 16-Bit-CHMOS-Mikrocontroller. Es zeichnet sich durch einen geringen Stromverbrauch aus und kann neben dem Normalbetrieb in zwei Energiesparmodi betrieben werden: Standby-Modus und Abschaltmodus. Es verfügt über einen integrierten Funktionsgenerator, der zwei Sätze komplementärer 3-Phasen-PWM-Signale ausgibt, die sich besonders für Motorsteuerungssysteme eignen. (3) Die Ansteuerschaltung verwendet das spezielle Ansteuermodul M57959L der Mitsubishi Corporation, Japan. Dieses Modul bietet hohe Ansteuerleistung, starke Signalisolation, hohe Integration, hervorragende Performance und ist einfach zu bedienen. IV. Probleme und Gegenmaßnahmen bei der Entwicklung explosionsgeschützter Frequenzumrichter 1. Explosionsschutzproblem Da die Einsatzumgebung des Frequenzumrichters viele explosive Gase oder Stäube enthält, muss der Frequenzumrichter abgedichtet und explosionsgeschützt sein. Daher darf sein Gehäuse kein gewöhnliches Gehäuse sein, sondern muss ein standardisierter explosionsgeschützter Hohlraum sein. Alle Komponenten des Frequenzumrichters sind im explosionsgeschützten Hohlraum untergebracht. In der Tür des explosionsgeschützten Hohlraums befindet sich ein Sichtfenster, in dem die Anzeigeeinheit sowie die Start-, Stopp- und Drehzahlregelung angebracht sind. 2. Wärmeabfuhrproblem Da alle Komponenten des Frequenzumrichters in einem explosionsgeschützten Gehäuse untergebracht sind, ist ein Luftaustausch nicht möglich. Die Wärmeabfuhr stellt daher ein zentrales Problem dar. Wir setzen hier eine neue Wärmeabfuhrtechnologie ein – die Wärmerohr-Technologie. (1) Funktionsprinzip der Wärmerohrtechnologie Ein Wärmerohr ist ein Wärmeleitelement mit extrem hoher Wärmeleitfähigkeit. Es transportiert Wärme durch Verdampfung und Kondensation des Arbeitsmediums in einem vollständig geschlossenen Vakuumrohr. Zu seinen Vorteilen zählen die extrem hohe Wärmeleitfähigkeit, gute isotherme Eigenschaften, die frei veränderbare Wärmeübertragungsfläche auf der warmen und kalten Seite, die Wärmeübertragung über große Entfernungen und die Temperaturregelung. Wärmetauscher mit Wärmerohren zeichnen sich durch hohe Wärmeübertragungseffizienz, kompakte Bauweise und geringen Strömungswiderstand aus. (2) Aufbau der Wechselrichterstruktur Der Hauptstromkreis ist als große Einheit ausgeführt und an der Rückwand des rechteckigen explosionsgeschützten Gehäuses montiert. Die Rückwand ist über einen Überhitzungskühler mit den wärmeerzeugenden Elementen wie dem IGBT-Modul und dem Gleichrichtermodul verbunden. Die Außenwand des explosionsgeschützten Gehäuses ist mit einem geschlitzten Kühlkörper verschweißt. Überhitzungskühler und geschlitzter Kühlkörper sind über Wärmerohre verbunden. Die im Wechselrichter entstehende Wärme wird über den Überhitzungskühler, die Wärmerohre und den geschlitzten Kühlkörper an der Rückwand des explosionsgeschützten Gehäuses abgeführt. 3. Unterschiede zwischen der Hauptschaltung und herkömmlichen Wechselrichtern: (1) Der Verzicht auf eine Verzögerungsschaltung vermeidet die Gefahren durch elektrische Funken beim Ansprechen des Verzögerungsrelais und erhöht die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Wechselrichters. (2) Die Gleichrichterleistung ist im Vergleich zu herkömmlichen Wechselrichtern verdoppelt. Dies dient dazu, den Ladestrom des Kondensators beim Anlauf des Wechselrichters abzufangen. (3) Für die Filterkondensatoren werden mehrere induktionsfreie Kondensatoren verwendet. Elektrolytkondensatoren sind groß und können bei hohen Temperaturen explodieren, was ein Sicherheitsrisiko darstellt. Nichtinduktive Kondensatoren sind klein und beständig gegen hohe Temperaturen und Drücke, wodurch sie in dieser Umgebung sehr sicher eingesetzt werden können. V. Fazit: Die erfolgreiche Entwicklung des explosionsgeschützten Frequenzumrichters schließt eine Lücke in der Anwendungsbranche für Frequenzumrichter. Selbstverständlich werden wir seine Struktur, seine Prozesse und seine Funktionen weiter verbessern, um ihn noch perfekter, zuverlässiger und umfassender zu gestalten. Wir sind überzeugt, dass explosionsgeschützte Frequenzumrichter in naher Zukunft eine vielversprechende Zukunft im Bereich der Automatisierung haben werden. Referenzen: * *Intel 16-Bit-Mikrocontroller*, Verlag der Universität für Luft- und Raumfahrt Peking, herausgegeben von Sun Hanfang; * *Benutzerhandbuch für Frequenzumrichter*, Shandong Fengguang Electronics Co., Ltd.