一種大功率公共直流母線功率變換器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

邱書明，郭清臣，齊懷軒，李新志，鄭淑玲

（天津電氣傳動設(shè)計(jì)研究所，天津 300180）

一種大功率公共直流母線功率變換器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

邱書明，郭清臣，齊懷軒，李新志，鄭淑玲

（天津電氣傳動設(shè)計(jì)研究所，天津 300180）

在多電機(jī)交流調(diào)速傳動系統(tǒng)中，公共直流母線技術(shù)被廣泛使用。而公共直流母線應(yīng)用的核心是功率變換器的合理設(shè)計(jì)。如何提供穩(wěn)定的直流電壓源，同時(shí)又能把逆變器產(chǎn)生的再生能源回饋到電網(wǎng)是我們要解決的關(guān)鍵問題。從器件選型、散熱方案和晶閘管的驅(qū)動3個(gè)方面，詳細(xì)介紹了直流母線的功率變換器的實(shí)現(xiàn)，并且通過實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場應(yīng)用論證了設(shè)計(jì)方案的可行性以及設(shè)備整機(jī)的可靠性。

公共直流母線；能量回饋；功率變換器

在多電機(jī)交流調(diào)速傳動系統(tǒng)中，所需要用到變頻器的數(shù)量會很多。大多數(shù)通用變頻器沒有回饋功能，對于電機(jī)制動運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的再生電能，只能通過中間制動電阻浪費(fèi)掉。而且，交直交變頻器都是通過不可控的二極管整流橋，把交流電變成直流為中間電容組充電，進(jìn)線輸入電流是不可控的，易造成過流故障。

而使用公共直流母線的方式，便可以大大改善以上缺點(diǎn)。采用逆變器來驅(qū)動電機(jī)，逆變器的輸入是直流電壓源。然后把多個(gè)逆變器的進(jìn)線接到1個(gè)公共的直流母線上。再用1個(gè)功率變換器，把三相交流電整成穩(wěn)定的直流電壓源，輸出端接到公共母線上。因此，功率變換器是系統(tǒng)的核心。它為逆變器提供電流可控的恒定直流電壓源，還可以把逆變器產(chǎn)生的再生能量回饋到電網(wǎng)，避免電能的浪費(fèi)，是一項(xiàng)綠色節(jié)能技術(shù)。在這里我們介紹一種新型的直流母線功率變換器，該設(shè)備性能優(yōu)良，成本低，可靠性高，可以替代國外進(jìn)口產(chǎn)品。

1 原理和系統(tǒng)應(yīng)用方案

1.1 直流母線方式多電機(jī)傳動系統(tǒng)的介紹

很多生產(chǎn)工藝，例如輥道、拉伸機(jī)等，需要用到很多電動機(jī)，每臺電動機(jī)都需要1臺變頻器單獨(dú)驅(qū)動。所有電動機(jī)在生產(chǎn)線上的轉(zhuǎn)速和控制都不一樣。既可以單獨(dú)處于電動狀態(tài)，又可以單獨(dú)處于制動狀態(tài)，這是由生產(chǎn)工藝決定的。電機(jī)制動運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速方向相反，電機(jī)吸收功率，因此會產(chǎn)生再生電能，導(dǎo)致中間直流電壓升高。如何處理眾多逆變器產(chǎn)生的再生能量，則是一個(gè)重要的問題。

采用公共直流母線方法能夠很好地解決上述問題。直流母線功率變換器，也叫整流回饋單元，為公共直流母線提供恒定的直流電壓源。它既可以整流，又可以回饋電能，有些類似可逆的直流調(diào)速器。當(dāng)有一些逆變器回饋能量時(shí)，再生電能可以被母線上的其他逆變器所利用。如果再生能量較多，母線電壓升高，功率變換器可以把多余電能回饋給電網(wǎng)，以達(dá)到節(jié)能減排的目的。

西門子的整流回饋單元是典型的直流母線功率變換器，它的進(jìn)線側(cè)和回饋側(cè)是分開的，回饋側(cè)需要加自耦變壓器。這樣的好處在于進(jìn)線電壓是標(biāo)準(zhǔn)的。但控制比較復(fù)雜，而且進(jìn)口設(shè)備價(jià)格較貴，特別是大功率裝置上。

這里介紹一種國產(chǎn)化的功率變換器，它的控制較簡單，進(jìn)線側(cè)與回饋側(cè)連在一起，不必使用自耦變壓器，但進(jìn)線電壓是非標(biāo)準(zhǔn)的，需要另配整流變壓器。利用進(jìn)口控制板，配以國產(chǎn)功率元件，既保證功能的完善和較高可靠性，又可以大大降低成本。

1.2 功率變換器的工作原理和內(nèi)部系統(tǒng)方案

直流母線功率變換器的主回路是1個(gè)三相全控可逆整流系統(tǒng)，如圖1所示。12只晶閘管組成2組整流橋，正組整流橋晶閘管定義管號為：V11，V13，V15，V14，V16，V12，作用是把進(jìn)線三相交流電整成直流。反組整流橋晶閘管定義為：V21，V23，V25，V24，V26，V22。作用是把母線上的直流電變?yōu)榻涣麟娀仞伒诫娋W(wǎng)。在結(jié)構(gòu)上功率單元分成6個(gè)橋臂組件（A1～A6），每個(gè)橋臂組件由1個(gè)正組晶閘管和1個(gè)反組晶閘管反并聯(lián)組成。例如A1由V11和V24組成。每個(gè)橋臂組件需要串聯(lián)1個(gè)橋臂快熔，用于晶閘管的過流保護(hù)。并且并聯(lián)一個(gè)阻容元件，用于晶閘管的過壓吸收。另外在A相和C相的交流進(jìn)線處還有2個(gè)電流互感器，用于電流檢測。

圖1 主回路原理圖Fig.1 Main circuit diagram

直流母線的控制回路包括控制器、電壓和電流的檢測電路，脈沖觸發(fā)驅(qū)動電路等。對于控制器，我們采用拆板的方案，用西門子全數(shù)字直流調(diào)速控制器—— 6RA70的控制板，作為控制核心。利用其強(qiáng)大的軟件功能，來實(shí)現(xiàn)包括電流、電壓雙閉環(huán)、給定積分等控制功能。只要在參數(shù)上根據(jù)實(shí)際要求作一些變動，便可以實(shí)現(xiàn)功率變換器的控制。其他控制回路都是根據(jù)控制器的特點(diǎn)和功率回路的要求自行設(shè)計(jì)。后面會有具體介紹。

2 內(nèi)部器件的選型和參數(shù)

2.1 主回路晶閘管參數(shù)和選型

本裝置額定進(jìn)線電壓為500V，額定直流輸出電流為2 400A。

2.1.1 晶閘管額定電壓的選擇

低壓交流電機(jī)的額定電壓為380V，對應(yīng)的逆變器直流側(cè)電壓為510V。因此功率變換器的直流側(cè)電壓為510V。由于裝置是可逆系統(tǒng)，在有源逆變狀態(tài)必須要考慮到裕量角，否則會導(dǎo)致逆變失敗，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，最小逆變觸發(fā)角βmin一般不小于35°，在這里我們?nèi)?0°。

根據(jù)公式：

式中：Ud為直流最大電壓，此處為510V；UN為交流進(jìn)線線電壓。

交流進(jìn)線電壓應(yīng)不低于：

綜合考慮，我們把進(jìn)線額定線電壓提升為

相電壓為

在選擇晶閘管的峰值電壓值時(shí)，要考慮到晶閘管在恢復(fù)阻斷時(shí)所引起的換相過電壓，以及在操作和事故過程中所產(chǎn)生的各類過電壓的影響。所以在計(jì)算和選擇晶閘管額定電壓時(shí)，必須考慮一定的電壓安全系數(shù)。其數(shù)值大小與器件質(zhì)量及適用場所有關(guān)，一般取2～3倍之間。根據(jù)計(jì)算公式［3］：

式中：KUT為晶閘管電壓計(jì)算系數(shù)（三相橋式整流電路KUT＝2.45）；n為器件串聯(lián)數(shù)（此處n＝1）；KU為均壓系數(shù)，一般取KU＝0.8～0.9；UVφ為電源進(jìn)線相電壓有效值。

根據(jù)上式計(jì)算，按照裝置額定進(jìn)線線電壓500 V，應(yīng)選取額定電壓UDRM＝2 000V的晶閘管。2.1.2 晶閘管通態(tài)平均電流的選擇

因?yàn)楸狙b置的額定直流電流為長期2 400A，依此來選擇晶閘管通態(tài)平均電流IT（AV）（額定正向半波平均值），還要結(jié)合散熱器的熱阻等，使最高結(jié)溫低于器件所允許的最高結(jié)溫（125℃），并留有一定余量。通常采用各種近似計(jì)算方法。這里我們根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式［3］：

式中：KIT為晶閘管電流計(jì)算系數(shù)（三相整流電路KIT＝0.367）；np為晶閘管并聯(lián)數(shù)（此處np＝1）；KI為均流系數(shù)，（一般KI＝0.8～0.9）；Idmax為最大整流電流值。裝置最大電流為2 400A。

根據(jù)上式計(jì)算，最終選取額定電流IT（AV）＝2 000 A，因此我們選定某所3×2.54cm的晶閘管，型號為：KPX 2 000A／2 000V。

2.2 組件散熱器的選型和溫升的計(jì)算

晶閘管的散熱至關(guān)重要，這關(guān)系到裝置出力能不能達(dá)到額定電流。散熱器的散熱能力是以熱阻的形式表現(xiàn)的，熱阻越小，散熱能力越強(qiáng)。針對本裝置的額定出力，有對應(yīng)的散熱器最大熱阻。以下介紹散熱器熱阻的計(jì)算。

2.2.1 晶閘管發(fā)熱功率的計(jì)算

首先是該裝置在額定電流工作狀態(tài)下，每個(gè)晶閘管的發(fā)熱功率。單個(gè)晶閘管的平均損耗等于管壓降乘以電流的積分。

式中：i為晶閘管通態(tài)電流瞬時(shí)值；λ為晶閘管導(dǎo)通角；u0為門檻電壓；Ri為斜率電阻。

由于上式計(jì)算比較復(fù)雜，可用經(jīng)驗(yàn)公式做近似計(jì)算：

式中：I為導(dǎo)通角為λ時(shí)，流過晶閘管的電流平均值；f為導(dǎo)通角為λ時(shí)的波形系數(shù)，此處f＝1.73［3］。

裝置長期電流Id＝2 400A，對于三相橋式整流電路λ＝（2／3）π，所以管子的平均電流值為

已知晶閘管的門檻電壓u0＝0.9V，斜率電阻Ri＝0.26mΩ。可得出每只管子的發(fā)熱功率為

2.2.2 晶閘管連同散熱器的熱阻計(jì)算

晶閘管結(jié)溫與環(huán)境溫度的差等于管子的發(fā)熱功率乘以總熱阻，如下式：

式中：RjA為總熱阻，℃／W，其值為各部分熱阻之和；RjC為其內(nèi)部熱阻，℃／W；RCS為接觸熱阻，℃／W；RSA為散熱器熱阻，℃／W；PAV為平均損耗功率，W；Tj為晶閘管的結(jié)溫，℃；TC為管殼溫度，℃；TS為散熱器接觸面溫度，℃；TA為環(huán)境溫度，℃。

晶閘管的結(jié)與殼間的熱阻，通常由制造廠家提供，KPX 2 000A／2 000V晶閘管的結(jié)殼熱阻Rth（jc）＝0.013℃／W。管殼和散熱器接觸面的熱阻與接觸面情況以及壓力值有關(guān)，一般取RCS＝0.005℃／W 左右。

散熱器的允許熱阻，是指在最嚴(yán)重的發(fā)熱和運(yùn)行條件下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，保證結(jié)溫不超過晶閘管所允許的最高工作溫度，并有一定裕量的散熱器熱阻最大值，℃／W。

式中：Tjmax為晶閘管所允許的最高工作結(jié)溫，普通晶閘管的最高工作結(jié)溫規(guī)定為＋125℃。Δ為安全裕度，一般取Δ＋10～15℃，此處取15℃。按照大功率傳動系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)境溫度取TA＝40℃。

直流母線變換器工作時(shí)每個(gè)組件只有1個(gè)管子工作，前面已得出每個(gè)晶閘管的發(fā)熱功率PAV＝1 219.2W，因此：

因此我們規(guī)定散熱器的熱阻不能超過RSAmax＝0.039℃／W。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，我們選擇220型鋁型材散熱器，并使用強(qiáng)迫風(fēng)冷。風(fēng)冷鋁型材散熱器的熱阻大概在0.04～0.024℃／W 之間，整體結(jié)構(gòu)及風(fēng)道的形式如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram

采用下進(jìn)上出的抽風(fēng)方式，-A1至-A6為6套晶閘管組件，放置于同一層面上，分成前后2排，每排放3套組件，每個(gè)組件用絕緣板隔開，形成并聯(lián)風(fēng)道。每套組件同時(shí)進(jìn)風(fēng)，風(fēng)路長短相同、風(fēng)阻相同、流過每套組件的風(fēng)速相同，因此每套組件散熱器熱阻相同。裝置不會由于某些組件的散熱條件不好影響整體出力。這種風(fēng)道的風(fēng)速一致性好，漏風(fēng)問題容易解決，是目前發(fā)展的主要趨勢。用于大功率傳動系統(tǒng)整流裝置，組件散熱均勻，提高了裝置的整體出力，性能指標(biāo)完全能滿足大功率傳動系統(tǒng)的要求。

此種散熱形式，由于風(fēng)路較短并且減少了進(jìn)風(fēng)口的進(jìn)風(fēng)面積，減輕了冷卻風(fēng)機(jī)的壓力，降低了在選擇風(fēng)機(jī)時(shí)對風(fēng)機(jī)風(fēng)壓和風(fēng)量的要求，從而降低裝置成本。

脈沖板放在上面的方盒內(nèi)，與主回路分開，鐵盒可以屏蔽外部的電磁干擾，提高裝置的電磁兼容性。用透明的聚碳酸酯材料做方盒的外層，既可以絕緣，又能看到脈沖板內(nèi)每路脈沖的顯示燈，了解脈沖板的工作情況。

在功率組件的下方，放置保護(hù)快熔和連接母排，采用下進(jìn)下出的出線方式。整體結(jié)構(gòu)緊湊，連接母排較短，節(jié)省了原材料和成本。

根據(jù)不同風(fēng)速下進(jìn)行的試驗(yàn)和計(jì)算：風(fēng)速太大，將導(dǎo)致噪聲過大和價(jià)格增高；風(fēng)速太小，散熱不好。不同散熱器存在不同的最佳風(fēng)速，其經(jīng)濟(jì)風(fēng)速一般可在5～7m／s間選擇。

2.3 晶閘管的驅(qū)動電路

直流母線變換器的晶閘管觸發(fā)脈沖，先由6RA70控制板CUD1發(fā)出信號到脈沖轉(zhuǎn)換板，經(jīng)過一級放大和分支，再接入脈沖放大板，經(jīng)過二級放大和隔離后，觸發(fā)晶閘管。

脈沖放大電路如圖3所示，觸發(fā)信號是來自脈沖轉(zhuǎn)換板的24V負(fù)脈沖，經(jīng)過光耦隔離芯片，轉(zhuǎn)換成正脈沖信號，接入到MOS管的門極，MOS管的集電極通過電阻和電容連接脈沖變壓器的原邊，變壓器的副邊經(jīng)過二極管和電容連接脈沖輸出端子。其中，脈沖變壓器原邊電阻和電容的作用，使脈沖上升沿有1個(gè)尖峰，可以有效觸發(fā)晶閘管。穩(wěn)壓管和二極管串聯(lián)，組成脈沖變壓器的去磁回路。副邊的二極管和電容起到觸發(fā)脈沖波形的整形作用。

圖3 脈沖放大電路Fig.3 Pulse amplify circuit diagram

觸發(fā)信號采用脈沖列觸發(fā)，每個(gè)脈沖列包含有9個(gè)脈沖，其調(diào)制頻率為8kHz，這樣不僅可以進(jìn)一步減少門極損耗，而且可以縮小脈沖變壓器的體積。

觸發(fā)脈沖的寬度是1ms，可以保證足夠的時(shí)間來觸開晶閘管。

觸發(fā)電流的波形如圖4所示，前沿上升時(shí)間為2～3μs，峰值是1.5A，平均值大于600mA（1mV代表1mA），查得 KPX 2 000A／2 000V晶閘管的門極觸發(fā)電流IGT＝87mA，足可以保證晶閘管的可靠觸發(fā)。

圖4 晶閘管觸發(fā)電流波形Fig.4 Thyristor trigger current waveform

2.4 裝置的檢測回路

2.4.1 電壓檢測電路

6RA70需要檢測進(jìn)線線電壓和直流側(cè)電壓UCD，采用分壓電阻對高壓進(jìn)行衰減，再通過運(yùn)算放大器，變成±5V以內(nèi)的低壓信號。通過接口板反饋到西門子6RA70控制器，來進(jìn)行運(yùn)算。

2.4.2 電流檢測電路

6RA70需要檢測A相和C相的電流，通過互感器變?yōu)樾‰娏餍盘?。由于電流的變比比較大，2 000A變到0.05A，一級互感器很難做到，所以本裝置采用二級互感的形式：第1級互感器為T01和T03，如圖1所示，它們的輸出信號接入第2級互感器的輸入端，2級互感器的輸出接到控制板檢測電阻，控制板再進(jìn)行運(yùn)算。

3 功率單元的溫升實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證散熱器的效果和裝置的輸出功率，我們做了溫升實(shí)驗(yàn)。把熱電偶分別埋在6個(gè)組件中，晶閘管和散熱器連接的地方，測量管殼的溫度，用溫度巡檢儀記錄6個(gè)組件的溫度和室溫。裝置的交流進(jìn)線電壓為36V，直流側(cè)用銅排短路，采用低壓大電流的方式?？刂品绞竭x擇電流環(huán)，依據(jù)測試規(guī)范，電流給定設(shè)為2 400A，加載1 h后，管子的溫升已經(jīng)基本穩(wěn)定。用溫度巡檢儀記錄溫度數(shù)據(jù)，繪制成溫升曲線如圖5所示。

圖5 晶閘管溫升曲線圖Fig.5 Thyristor temperature rise curves

環(huán)境溫度為20℃，最高管殼溫度沒超過50℃，溫升最大不超過28℃。計(jì)算散熱器熱阻為

小于規(guī)定的最大熱阻0.039℃／W，也就是說當(dāng)環(huán)境溫度為40℃時(shí)，管殼的溫度不超過70℃，根據(jù)管子的結(jié)殼熱阻和發(fā)熱功率，換算到管子的結(jié)溫不超過92.5℃。裕量Δ為32.5℃。說明散熱器可以達(dá)到理想效果。

圖5中，V21～V26分別為反組1號到6號晶閘管的殼溫曲線。2代表室溫曲線。

4 現(xiàn)場應(yīng)用及結(jié)論

以下是該裝置在湖北宜昌某鋼廠的應(yīng)用，軋鋼線輥道系統(tǒng)的單線圖如圖6所示，M1～M6分別是6組輥道電機(jī)，每個(gè)電機(jī)的額定電壓為380V，功率為15kW。每組輥道電機(jī)用1臺逆變器驅(qū)動，6個(gè)逆變器的直流進(jìn)線都接到直流母線上。整流變壓器的容量為2 000kV·A，進(jìn)線接10kV的電網(wǎng)，輸出接到直流母線變換器。變比為10kV／500V。功率變換器的直流輸出，通過1個(gè)平波電抗器接到直流母線上。向母線提供510V的直流電源。平波電抗器的作用是讓直流電流的脈動變小。

圖6 系統(tǒng)單線圖Fig.6 System block diagram

功率變換器的額定輸出電流為2 400A，逆變器總功率為6×160kW。投入運(yùn)行以來，累計(jì)安全運(yùn)行超過1a。該裝置工作穩(wěn)定可靠，得到用戶的肯定。

大功率公共直流母線功率變換器輸出功率大，相比同等功率等級的進(jìn)口產(chǎn)品，可節(jié)省成本50%以上。該設(shè)備可廣泛應(yīng)用于冶金、礦山等領(lǐng)域，取代進(jìn)口產(chǎn)品。

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Design for New Power Converter Used in High Power Common-DC-Bus

QIU Shu-ming，GUO Qing-chen，QI Huai-xuan ，LI Xin-zhi，ZHENG Shu-ling

（TianjinDesignandResearchInstituteofElectricDrive，Tianjin300180，China）

In the adjustable speed AC system，the common-DC-bus tech is widely used.The common-DC-bus application is the core of the rational design of the power converter.How to provide a stable DC voltage source inverter can also generate renewable energy back to the grid is the key to solve the problem."DC power converter"was presented in details based on those three concepts of"the lectotype of components，the plan of heat emission and the drive of thyristor"，and demostrates the feasibility of the plan and reliability of the equipments through experiments and practical application.

common-DC-bus；energy feedback；power converter

TP215

B

邱書明（1982-），男，本科，工程師，Email：qiushuming66＠sina.com

2011-12-02