苑令華
(兗州東方機(jī)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(chǎn)設(shè)備單機(jī)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(chǎn)品在市場上的應(yīng)用還處于空白。針對上述存在的問題,本文設(shè)計(jì)的6kV高壓防爆變頻器,采用了DSP+FPGA為核心的控制單元,實(shí)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(shù)具有現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用價(jià)值。
本文設(shè)計(jì)的高壓防爆變頻調(diào)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(jī)交互界面。圖1表明了主回路的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),裝置中的功率單元采用級聯(lián)方式連接,可以實(shí)現(xiàn)用低壓器件代替高壓器件達(dá)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(shí)降低了元器件采購成本。
移相隔離變壓器的副邊繞組共設(shè)計(jì)為15組,分別為15個(gè)功率單元提供交流電源。變壓器總?cè)萘繛?400kVA,輸入電壓為6kV。原邊繞組采用三相星型接法。副邊繞組設(shè)計(jì)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?cè)萘康?/15。副邊繞組采取延邊三角形接法,目的是實(shí)現(xiàn)多重化,降低裝置輸入電流諧波含量。并且在變壓器內(nèi)部預(yù)埋三個(gè)溫度傳感器,用來檢測移相變壓器溫度,以便及時(shí)預(yù)警和處理。
功率單元的電路設(shè)計(jì)為交流-直流-交流結(jié)構(gòu)。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(jīng)整流橋整流成直流電壓,在經(jīng)濾波電容濾波后,傳輸至逆變電路。逆變電路采用4個(gè)IGBT模塊組成H橋,其中IGBT的耐壓等級為1700V。
防爆變頻器的輸出側(cè)為三相星型接法,每一相有五個(gè)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(gè)功率單元的U和第五個(gè)功率單元的V,與 B和C相按照星型接法為電機(jī)提供電源。采用這種連接方式的好處:其中的一個(gè)功率單元發(fā)生故障時(shí),這個(gè)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(yùn)行。功率單元結(jié)構(gòu)采用了一致性設(shè)計(jì)原則,單元之間可以相互替換,方便維修和調(diào)試??刂茊卧亟M15個(gè)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(jī)的絕緣性能的損害,電機(jī)的諧波損耗也會隨之減少,同時(shí)還消除了諧波造成的機(jī)械振動。
圖1 6kV礦用防爆變頻器系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖
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(qū)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(shù)傳輸數(shù)據(jù)。DSP作為主控制器負(fù)責(zé)變頻器控制算法的實(shí)現(xiàn),采用SPWM算法、載波移相技術(shù),計(jì)算出控制信號并傳送給FPGA,F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)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(qū)動板,驅(qū)動板接收到IGBT控制信號,并經(jīng)過處理后去控制IGBT模塊的通斷,由此產(chǎn)生輸出波形。同時(shí)DSP還采集防爆變頻器的電壓和電流信號,并進(jìn)行分析和處理。I/O接口板的作用是采集變頻器內(nèi)部數(shù)字量信號,并作出相應(yīng)的邏輯處理;同時(shí)負(fù)責(zé)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(diào)指令。
控制器與功率單元之間采用了多通道光纖通信技術(shù),可實(shí)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(yùn)行。
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(jìn)行散熱。功率器件的性能決定了整個(gè)變頻器的運(yùn)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(shè)計(jì)采用了水冷散熱冷卻技術(shù),設(shè)計(jì)了封閉式循環(huán)水冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由內(nèi)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(gè)功率單元和變壓器采用了水路管道并聯(lián)的方案,15個(gè)功率單元之間也采用了并聯(lián)水路方式進(jìn)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(nèi)循環(huán)冷卻水由主循環(huán)泵升壓,經(jīng)換熱器冷卻后流入15個(gè)功率單元和移相變壓器,并將它們產(chǎn)生的熱量帶出,內(nèi)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(shè)有緩沖罐作為穩(wěn)壓吸收為保證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供恒壓供水。板式換熱器主要功能是將內(nèi)循環(huán)水和外循環(huán)水進(jìn)行熱交換,將內(nèi)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。
在殼體設(shè)計(jì)過程中,采用Solidworks設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行三維設(shè)計(jì)和有限元仿真的設(shè)計(jì),最終完成了滿足設(shè)計(jì)要求的防爆殼體,殼體三維圖如圖4所示。
整個(gè)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(shè)計(jì),即將變壓器腔與功率腔、控制系統(tǒng)腔設(shè)計(jì)為一個(gè)總的防爆殼體,解決各腔分體所導(dǎo)致的電纜連接問題;同時(shí),減小了設(shè)備體積,有利于設(shè)備煤礦井下運(yùn)輸。
功率單元腔采用了功率單元模塊化設(shè)計(jì),即在設(shè)計(jì)絕緣框架時(shí)設(shè)計(jì)了單元抽出式結(jié)構(gòu),使得每個(gè)功率單元都可以單獨(dú)拆卸,便于維護(hù)維修,進(jìn)而減少了維修時(shí)間,降低了維修成本。
圖4 三維模型
功率單元驅(qū)動板上設(shè)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
設(shè)計(jì)完成后完成了樣機(jī)制造。試驗(yàn)時(shí),采用電能質(zhì)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(jīng)測試,本次設(shè)計(jì)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(yù)期。
本次設(shè)計(jì)的高壓防爆變頻器采用了空間電壓矢量控制技術(shù)、功率單元級聯(lián)多電平技術(shù)并在DSP+FPGA為核心的控制單元上得以實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,該裝置輸出波形正弦度好,能夠降低諧波含量。同時(shí),本裝置結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定,具有良好的應(yīng)用前景。