6kV礦用高壓防爆變頻器的設(shè)計研究

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(shù)具有現(xiàn)實的應(yīng)用價值。

1 電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的高壓防爆變頻調(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)計結(jié)構(gòu)，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(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(shè)計為15組，分別為15個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)埋三個溫度傳感器，用來檢測移相變壓器溫度，以便及時預(yù)警和處理。

1.2 功率單元設(shè)計

功率單元的電路設(shè)計為交流-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IGBT模塊組成H橋，其中IGBT的耐壓等級為1700V。

1.3 輸出側(cè)結(jié)構(gòu)

防爆變頻器的輸出側(cè)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(jī)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(yùn)行。功率單元結(jié)構(gòu)采用了一致性設(shè)計原則，單元之間可以相互替換，方便維修和調(diào)試。控制單元重組15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(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

2 系統(tǒng)硬件設(shè)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(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現(xiàn)，采用SPWM算法、載波移相技術(shù)，計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。

3 散熱系統(tǒng)設(shè)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(jìn)行散熱。功率器件的性能決定了整個變頻器的運(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)計采用了水冷散熱冷卻技術(shù)，設(shè)計了封閉式循環(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(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。

4 防爆殼體設(shè)計

在殼體設(shè)計過程中，采用Solidworks設(shè)計軟件進(jìn)行三維設(shè)計和有限元仿真的設(shè)計，最終完成了滿足設(shè)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(shè)計，即將變壓器腔與功率腔、控制系統(tǒng)腔設(shè)計為一個總的防爆殼體，解決各腔分體所導(dǎo)致的電纜連接問題；同時，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，即在設(shè)計絕緣框架時設(shè)計了單元抽出式結(jié)構(gòu)，使得每個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(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

5.2 整機(jī)輸出測試

設(shè)計完成后完成了樣機(jī)制造。試驗時，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。

6 總結(jié)

本次設(shè)計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現(xiàn)。試驗結(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，本裝置結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定，具有良好的應(yīng)用前景。