6kV礦用高壓防爆變頻器的設計研究

苑令華

（兗州東方機電有限公司，山東 鄒城 273500）

煤炭企業(yè)快速發(fā)展，大中型煤礦的生產設備單機功率越來越高，采用6kV/10kV電壓等級的礦井也越來越多。但是，大功率變頻器還沒有普及，特別是礦用高壓防爆變頻器產品在市場上的應用還處于空白。針對上述存在的問題，本文設計的6kV高壓防爆變頻器，采用了DSP+FPGA為核心的控制單元，實現(xiàn)功率單元級聯(lián)多電平控制和空間電壓矢量控制技術具有現(xiàn)實的應用價值。

1 電氣拓撲結構設計

本文設計的高壓防爆變頻調速裝置主要包括移相隔離變壓器、功率單元、控制系統(tǒng)、水冷散熱系統(tǒng)、人機交互界面。圖1表明了主回路的設計結構，裝置中的功率單元采用級聯(lián)方式連接，可以實現(xiàn)用低壓器件代替高壓器件達到高壓輸出的目的，這種級聯(lián)方式解決了元器件之間存在的均壓問題，同時降低了元器件采購成本。

1.1 移相隔離變壓器

移相隔離變壓器的副邊繞組共設計為15組，分別為15個功率單元提供交流電源。變壓器總容量為1400kVA，輸入電壓為6kV。原邊繞組采用三相星型接法。副邊繞組設計為3×5組，采取延邊三角形接法，分別移相 -24°，-12°，0°，12°，24°，副邊繞組要求空載電壓為690V，副邊繞組容量為總容量的1/15。副邊繞組采取延邊三角形接法，目的是實現(xiàn)多重化，降低裝置輸入電流諧波含量。并且在變壓器內部預埋三個溫度傳感器，用來檢測移相變壓器溫度，以便及時預警和處理。

1.2 功率單元設計

功率單元的電路設計為交流-直流-交流結構。移相變壓器的每一組副邊繞組分別為功率單元提供移相之后的AC690V電源，經整流橋整流成直流電壓，在經濾波電容濾波后，傳輸至逆變電路。逆變電路采用4個IGBT模塊組成H橋，其中IGBT的耐壓等級為1700V。

1.3 輸出側結構

防爆變頻器的輸出側為三相星型接法，每一相有五個功率單元串接而成，以A相為例：A1功率單元的輸出端V接A2功率單元的輸出端U，A2功率單元的輸出端V接A3功率單元的輸出端U，依次類推。第一個功率單元的U和第五個功率單元的V，與 B和C相按照星型接法為電機提供電源。采用這種連接方式的好處：其中的一個功率單元發(fā)生故障時，這個功率單元將會被旁路掉，變頻器采取降額工作的方式，而不影響裝置正常運行。功率單元結構采用了一致性設計原則，單元之間可以相互替換，方便維修和調試?？刂茊卧亟M15個功率單元的PWM波形，以此得到更接近正弦波的波形。這種波形dv/dt 小，可減小對電纜和電機的絕緣性能的損害，電機的諧波損耗也會隨之減少，同時還消除了諧波造成的機械振動。

圖1 6kV礦用防爆變頻器系統(tǒng)拓撲結構圖

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示，主要由主控板、觸摸屏、電源板、I/O接口板、驅動板組成。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)采用DSP和FPGA高性能芯片作為核心控制器，DSP與FPGA之間采用了DMA通訊技術傳輸數(shù)據(jù)。DSP作為主控制器負責變頻器控制算法的實現(xiàn)，采用SPWM算法、載波移相技術，計算出控制信號并傳送給FPGA，F(xiàn)PGA負責接收DSP傳送來的數(shù)據(jù)，并生成控制IGBT的信號，F(xiàn)PGA通過光纖將信號傳送給功率單元驅動板，驅動板接收到IGBT控制信號，并經過處理后去控制IGBT模塊的通斷，由此產生輸出波形。同時DSP還采集防爆變頻器的電壓和電流信號，并進行分析和處理。I/O接口板的作用是采集變頻器內部數(shù)字量信號，并作出相應的邏輯處理；同時負責采集各種現(xiàn)場指令和狀態(tài)信號，便于發(fā)出控制和協(xié)調指令。

控制器與功率單元之間采用了多通道光纖通信技術，可實現(xiàn)高低壓電氣部分的隔離，提高了變頻控制系統(tǒng)的抗干擾能力，保障了防爆變頻器的可靠運行。

3 散熱系統(tǒng)設計

高壓防爆變頻器水冷散熱系統(tǒng)主要功能是對功率器件（IGBT）以及移相變壓器進行散熱。功率器件的性能決定了整個變頻器的運行性能，而功率器件性能受溫度的影響較大，因此，散熱系統(tǒng)的性能直接決定了變頻器性能和可靠性。

本次設計采用了水冷散熱冷卻技術，設計了封閉式循環(huán)水冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由內循環(huán)水回路、外循環(huán)水回路、水冷裝置控制系統(tǒng)組成。15個功率單元和變壓器采用了水路管道并聯(lián)的方案，15個功率單元之間也采用了并聯(lián)水路方式進行散熱（如圖3所示）。

圖3 散熱系統(tǒng)框圖

散熱系統(tǒng)工作流程：內循環(huán)冷卻水由主循環(huán)泵升壓，經換熱器冷卻后流入15個功率單元和移相變壓器，并將它們產生的熱量帶出，內循環(huán)冷卻水再回到主循環(huán)泵，以此循環(huán)。循環(huán)管路設有緩沖罐作為穩(wěn)壓吸收為保證整個系統(tǒng)的正常運行提供恒壓供水。板式換熱器主要功能是將內循環(huán)水和外循環(huán)水進行熱交換，將內循環(huán)水溫度降到系統(tǒng)要求的水溫，以滿足裝置散熱要求。

4 防爆殼體設計

在殼體設計過程中，采用Solidworks設計軟件進行三維設計和有限元仿真的設計，最終完成了滿足設計要求的防爆殼體，殼體三維圖如圖4所示。

整個防爆殼體從左至右依次為變壓器腔、功率單元腔、水冷系統(tǒng)腔、控制單元腔。這些腔采用了一體化設計，即將變壓器腔與功率腔、控制系統(tǒng)腔設計為一個總的防爆殼體，解決各腔分體所導致的電纜連接問題；同時，減小了設備體積，有利于設備煤礦井下運輸。

功率單元腔采用了功率單元模塊化設計，即在設計絕緣框架時設計了單元抽出式結構，使得每個功率單元都可以單獨拆卸，便于維護維修，進而減少了維修時間，降低了維修成本。

圖4 三維模型

5 測試

5.1 功率單元測試

功率單元驅動板上設有用于測試的端子，輸入端接AC690V電源，供電電源采用AC220V接到單元控制板測試端子上，輸出端接示波器測試輸出波形（如圖5所示）。

圖5 功率單元輸出波形圖

5.2 整機輸出測試

設計完成后完成了樣機制造。試驗時，采用電能質量分析儀，測量防爆變頻器的輸入電壓、輸入電流和輸入功率，采用示波器測量防爆變頻器輸出電壓和輸出電流。

圖6 變頻器輸出波形

經測試，本次設計的高壓防爆變頻器可以得到如圖6所示的波形，這種波形正弦度好，dv/dt小，符合預期。

6 總結

本次設計的高壓防爆變頻器采用了空間電壓矢量控制技術、功率單元級聯(lián)多電平技術并在DSP+FPGA為核心的控制單元上得以實現(xiàn)。試驗結果表明，該裝置輸出波形正弦度好，能夠降低諧波含量。同時，本裝置結構緊湊、性能穩(wěn)定，具有良好的應用前景。