疊層母排在礦用變頻器上的應用

劉 棟

(晉能控股煤業(yè)集團 煤峪口礦， 山西 大同 037041)

隨著電力電子技術的發(fā)展，(Insulated Gate Bipolar Transistor)絕緣柵雙極型晶體管IGBT在變頻器、大功率開關電源等電力電子技術的能量變換與管理應用中，越來越成為主回路的首選功率開關器件。在牽引領域，變頻器功率登記一般都比較大，系統回路雜散電感也隨之增大，有效抑制系統回路雜散電感，降低IGBT關斷電壓尖峰，保護功率半導體器件可靠穩(wěn)定運行至關重要。

母排是指供電系統，電柜中總制開關與各分路電路中的開關的連接銅排或鋁排，表面做絕緣處理，主要作用是做導線。疊層母排又稱復合母排、層疊母排、復合銅排，是一種多層復合結構連接排。疊層母排是一種新興的便捷式電氣部件，因為其自身具有低電感的特點，能有效降低線路的分布電感，抑制尖峰電壓，在中、高功率變流場合廣泛使用[1,2]. 峪口礦隨著礦井延伸，巷道重新布置，運輸系統相應進行了能力提升，盤區(qū)皮帶設計采用DTL120-3×800 kW固定式強力輸送機，其開關使用中壓變頻器聯合開關，替代之前的真空磁力啟動器模式。為減少啟動時間，保證系統平穩(wěn)運行，節(jié)省電量，降低生產成本，中壓變頻器選用疊層母排。

1 中壓變頻器選用疊層母排設計原因

中壓變頻器采用三電平電路設計，交流輸出電壓為1 140 V，三電平電氣原理見圖1. 在設計過程中，模塊化連接點較多：Q1與Q2連接，且與Q5連接；Q2與Q3連接；Q3與Q4連接，且與Q6連接；同時三相橋臂還需要連接中線。如通過導線或普通硬排進行搭接，會導致柜內走線混亂，電磁干擾嚴重，系統無法實現穩(wěn)定可靠運行。原變頻器采用普通母排占用空間大，且接線繁瑣復雜，為此改用疊層母排節(jié)省變頻器內部空間，且接線簡單。

中壓變頻上采用疊層母排設計，疊層母排直接將系統正負極、三相交流輸出極壓合成一個整體，簡化了變頻器內部導體連接，降低了系統雜散電感，變頻器的穩(wěn)定性及可靠性增強。

2 疊層母排運用在中壓變頻器的技術優(yōu)勢

1) 低分布電感。

由于中壓變頻器為大功率變流器，其使用的IGBT的開關時間較短，導致了過高的dv/dt和di/dt，由于IGBT的電壓與di/dt的分布雜散電感成正比，如雜散電感越大，IGBT開通關斷的瞬時尖峰電壓會成倍增加，一旦尖峰電壓超過IGBT的耐受額定電壓[3]，則IGBT直接發(fā)生過壓擊穿，導致變頻器炸毀，對煤礦安全高效生產造成威脅。

采用q3d軟件進行試驗，對普通母排和疊層母排進行雜散電感模擬測試。模擬只連接一個電容時的溫升分布電感，電容引腳距離32 mm.

圖1 三電平系統原理圖

分立母排：母排大小正負極均為300 mm×24 mm×2 mm，分布電感大小為168.17 nH.

疊層母排：母排大小正負極均為300 mm×56 mm×1 mm，分布電感大小為27.24 nH.

從試驗結果看，疊層母排的雜散電感遠小于分立母排，在系統運行過程中，由于疊層母排間反向極性的導體產生相互抵消的磁場，可有效降低IGBT開關時刻的瞬時尖峰電壓。

2) 低局部放電率。

局部放電測試的目的是驗證疊層母排的間隙放電量，一般在10 pC，局放測試值越小，說明疊層母排的電氣性能越穩(wěn)定，其運行壽命也相對較長。因此，將疊層母排運用在礦用中壓變頻器上，可以降低設備的事故率，提高生產效率，提高整部系統穩(wěn)定性，降低生產成本。

3) 高電氣安全性。

疊層母排中層與層之間添加了高壓絕緣紙，且外層也增加了耐高壓絕緣紙，既有效實現了內部母排電氣隔離，同時也能對外部的粉塵、濕氣等實現隔離，提高了系統的安全可靠性。煤礦井下環(huán)境惡劣，煤塵較

多，而煤塵多屬于碳性成分，具有導電性，為了保證安全生產，降低設備故障率，保證系統的穩(wěn)定運行，因此采用疊層母排設計，同時可以間接提高生產效益。

4) 占用空間小，成本低。

使用疊層母排的設備能夠利用較小的空間實現大電流、高電壓元器件的連接，而且連接簡單，便于維護。此外疊層母排的扁平結構提供了更佳的散熱效果，因此該礦中壓變頻器長時間工作，溫度不會過高，降低了設備事故率，保證了系統安全平穩(wěn)運行。

3 效 果

中壓變頻器采用低電感疊層母排作為直流支撐電容與功率模塊的連接部件，截止2020年12月，在井下現場運行已有半年，整部系統運行穩(wěn)定，提高了安全系數和生產效率，預測后期礦井產量增大時，整部系統也可以正常穩(wěn)定運行。

4 結 論

在變頻器設計中，中壓變頻器采用疊層母排，其系統雜散電感小，系統運行穩(wěn)定性高，可靠性強，有效降低了系統故障率，且維護方便，更適用于井下惡劣的運行環(huán)境。