煤礦井下用牽引變頻器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

姜 銘

（1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司， 山西 太原 030006； 2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司， 山西 太原030006；3.煤礦采掘機(jī)械裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030006）

0 引言

煤礦井下用運(yùn)煤車是短壁開采技術(shù)體系中的重要運(yùn)輸設(shè)備，主要用于煤礦井下煤巷掘進(jìn)、不規(guī)則塊段開采以及回收煤柱等工況， 主要功能是將連續(xù)采煤機(jī)開采出的煤轉(zhuǎn)運(yùn)到給料破碎機(jī)，實(shí)現(xiàn)煤炭的短距離運(yùn)輸。其具有成本低、維護(hù)方便、工作穩(wěn)定、可靠性高、行動(dòng)靈活等突出優(yōu)點(diǎn)，極大地提升了工作面的生產(chǎn)能力，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。隨著短壁開采技術(shù)體系的進(jìn)一步發(fā)展，機(jī)械化設(shè)備自動(dòng)化、智能化水平的不斷提高，運(yùn)煤車的裝載能力逐漸無(wú)法滿足礦方的運(yùn)輸效率，特別是在非煤礦山領(lǐng)域，增加運(yùn)煤車的運(yùn)載能力是提高短壁開采效率最直接可行的方式，因此，重載運(yùn)煤車應(yīng)運(yùn)而生。

提高運(yùn)煤車裝載能力，除了考核車體的裝載空間、承載強(qiáng)度、外形尺寸、轉(zhuǎn)彎半徑等技術(shù)指標(biāo)外，最重要的是要匹配牽引系統(tǒng)的適應(yīng)性。 由于受限于工況等因素，在載重性能大幅提升的運(yùn)煤車上留給控制系統(tǒng)的空間并無(wú)多大變化，使得牽引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度增大。 經(jīng)過深入研究探討， 只能通過提高功率密度的方法來(lái)滿足重載運(yùn)煤車牽引性能的要求，綜合考慮空間、散熱、電磁兼容等問題，本文詳細(xì)闡述了重載運(yùn)煤車用牽引變頻器的設(shè)計(jì)思路。

1 整體設(shè)計(jì)

重載運(yùn)煤車防爆牽引變頻器功率需求從100kW 提升至200kW，雖然載重能力有了大幅提升，但是留給電控系統(tǒng)的安裝空間并沒有增加， 變頻器體積可以在受限尺寸下增加10%，這樣狹小的空間內(nèi)需設(shè)計(jì)出容量200kW 的變頻器，導(dǎo)致變頻器在設(shè)計(jì)時(shí)不能采用常規(guī)設(shè)計(jì)思路。 文獻(xiàn)[2]提出了功率密度的概念，功率密度是指以電力電子產(chǎn)品的輸出功率除以產(chǎn)品的體積， 代表了在目前的電力電子綜合設(shè)計(jì)能力（拓?fù)?，器件，損耗，散熱，成本）下可以達(dá)到的綜合水平。研制高功率密度的變頻器，能夠以更小的功耗，更小的體積輸出更大的功率，從而在系統(tǒng)應(yīng)用上帶來(lái)獨(dú)特的價(jià)值，特別適合空間受限的工況，能實(shí)現(xiàn)更低的系統(tǒng)成本，更高的可靠性，更小的系統(tǒng)體積。

1.1 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足牽引性能， 該變頻器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制方式上都另辟蹊徑，逆變側(cè)仍采納通用變頻器的逆變結(jié)構(gòu)，而整流側(cè)采取IGBT 反并聯(lián)的二極管整流和IGBT 六脈波回饋控制技術(shù)，此方案在變頻器體積縮減上極具優(yōu)勢(shì)，并極大簡(jiǎn)化了控制算法。 主回路部分去掉了輸入正弦波濾波器和輸出電抗器等元部件， 有效地減少了防爆殼體內(nèi)部電氣件的發(fā)熱量。 主電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 主電路結(jié)構(gòu)圖

主回路參數(shù)設(shè)定突破了以往經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)值的限定，對(duì)于整流側(cè)，摒棄了傳統(tǒng)的PWM 調(diào)制技術(shù)，采用六脈波二極管整流和六脈波回饋控制策略。 此方案的優(yōu)勢(shì)在于整流側(cè)幾乎沒有高頻干擾， 主回路部分借用供電線路阻抗和供電變壓器的漏抗充當(dāng)部分輸入電抗器， 起回饋限流作用。 對(duì)于中間直流支撐電容， 用薄膜電容代替電解電容，降低容值的同時(shí)提高直流支撐電容工作穩(wěn)定性，容值的選定沒有采用計(jì)算值或經(jīng)驗(yàn)值， 是通過實(shí)測(cè)方式得出（滿負(fù)載下母線電壓波動(dòng)滿足設(shè)計(jì)要求）。 鑒于最終測(cè)試得出的電容容值特別小， 電容充電電流完全在整流側(cè)IGBT 開關(guān)管和續(xù)流二極管的承受范圍內(nèi)，所以去掉了直流正母線上的軟啟動(dòng)回路，從而進(jìn)一步縮小了整體體積。經(jīng)上述方法設(shè)計(jì)后，200kW 四象限變頻器主回路結(jié)構(gòu)已設(shè)計(jì)完成，滿足了重載運(yùn)煤車變頻牽引外形尺寸要求。

1.2 控制電路設(shè)計(jì)

控制電路的設(shè)計(jì)方案繼續(xù)沿用高功率密度的設(shè)計(jì)理念，在傳統(tǒng)四象限變頻器的基礎(chǔ)上，刪減了三相電壓相位檢測(cè)電路、三相鎖相環(huán)電路和充電電路的控制回路，使得控制回路精簡(jiǎn)高效。

硬件電路完全模塊化設(shè)計(jì)，分為主控板、整流側(cè)驅(qū)動(dòng)板、逆變側(cè)驅(qū)動(dòng)板、整流側(cè)電流檢測(cè)板、逆變側(cè)電流檢測(cè)板、IGBT 保護(hù)板和底板溫度檢測(cè)等。 其中主控板電路包括電源回路、 通訊接口電路、IGBT 控制電路和信號(hào)采集電路等； 其中整流側(cè)驅(qū)動(dòng)板和逆變側(cè)驅(qū)動(dòng)板除了具備IGBT 控制觸發(fā)功能外，還在PCB 背面整合了三相電壓檢測(cè)及母線電壓檢測(cè)電路， 而且整流側(cè)驅(qū)動(dòng)板和逆變側(cè)驅(qū)動(dòng)板設(shè)計(jì)完全一樣，可以實(shí)現(xiàn)功能互換；其中IGBT 保護(hù)板是焊接在IGBT 上的，6 個(gè)IGBT 及其保護(hù)板都是一樣的；整流側(cè)電流檢測(cè)板和逆變側(cè)電流檢測(cè)板的PCB 設(shè)計(jì)及電流傳感器型號(hào)也是完全一致的， 這樣的設(shè)計(jì)非常便于生產(chǎn)、維修及后期產(chǎn)品系列化后的重新布局。

主控芯片不變， 增強(qiáng)了控制電路與主電路之間的隔離設(shè)計(jì)，從而提高了控制回路的抗干擾能力，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 IGBT 選用英飛凌FF400R33KF2C 模塊，驅(qū)動(dòng)電路是基于Power Integrations 公司的2SD315-AI 模塊設(shè)計(jì)的，該驅(qū)動(dòng)模塊自帶短路和過流保護(hù)功能，保證了大功率驅(qū)動(dòng)下的高性能和高可靠性。

圖2 為系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框架。 采用CAN 通訊控制，程序內(nèi)置三種驅(qū)動(dòng)控制算法， 分別為速度開環(huán)V/F 控制算法、速度閉環(huán)矢量控制算法和速度閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制算法，根據(jù)實(shí)際工況通過CAN 通訊方式自由設(shè)置相應(yīng)控制模式。要求電機(jī)是防爆變頻電機(jī)， 且必須內(nèi)置增量式轉(zhuǎn)速編碼器以實(shí)現(xiàn)速度反饋， 同時(shí)內(nèi)置溫控開關(guān)和PT100 以更好的保護(hù)電機(jī)。

圖2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框架

2 疊層母排設(shè)計(jì)

該牽引變頻器除了采用精準(zhǔn)矢量變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的準(zhǔn)確控制之外，在礦用變頻器的整體設(shè)計(jì)上進(jìn)一步追求結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化、性能的穩(wěn)定。為此，引用了低電感的疊層母排技術(shù)， 為功率模塊提供結(jié)構(gòu)清晰、安裝快速、裝配簡(jiǎn)潔的連接部件，保障礦用變頻器運(yùn)行的安全性、可靠性、穩(wěn)定性。 疊層母排被廣泛應(yīng)用于電控系統(tǒng)，是一種新興的便捷式電氣部件，因?yàn)槠渥陨砭哂械碗姼械奶攸c(diǎn)，能有效降低線路的分布電感，抑制尖峰電壓。

防爆變頻器功率單元主回路輸入為三相交流電，通過IGBT 整流，直流輸出，然后再經(jīng)過逆變單元IGBT 逆變交流輸出，達(dá)到變頻效果的。 如通過導(dǎo)線進(jìn)行搭接，會(huì)導(dǎo)致電控箱內(nèi)走線混亂，電磁干擾嚴(yán)重，系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠運(yùn)行， 因此常用母排作為直流支撐電容與功率模塊的連接部件。 傳統(tǒng)母排在承受大電流的同時(shí)也有著占用空間大的弊端，在牽引變頻器狹窄的空間下不可取，因此選用疊層母排連接內(nèi)部電路。 疊層母排直接將電源進(jìn)線、三相交流輸入極、三相交流輸出極通過合理的結(jié)構(gòu)、完美的折彎壓合成一個(gè)整體，走線簡(jiǎn)化明了，接線方便，最主要的是在保證供電安全穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)上極大地簡(jiǎn)化了內(nèi)部導(dǎo)體連接，使得控制箱內(nèi)部走線整潔，即使空間狹窄也有條不紊，電氣連接可靠，方便維護(hù)檢修。 疊層母排結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 疊層母排結(jié)構(gòu)

疊層母排的優(yōu)勢(shì)在于：一是將連接線做成了扁平的截面，在同樣的電流截面下增大了導(dǎo)電層的表面積，同時(shí)導(dǎo)電層之間的間隔大幅度降低，由于鄰近效應(yīng)使得相鄰導(dǎo)電層流過相反的電流，他們產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互抵消， 從而使得線路中的分布電感大幅降低，有效抑制了尖峰電壓。二是其超薄扁平的設(shè)計(jì)風(fēng)格，既節(jié)省了安裝空間，增大了散熱面積，又提供了極低的電阻，實(shí)現(xiàn)了大功率低溫升的效果，讓回路損耗降低至最低，以更低的電壓降提升了載流能力。三是簡(jiǎn)潔緊湊的外形特征，采用成熟的制作工藝一次性粘合成型，極大地降低了生產(chǎn)安裝成本，接線便捷，易維護(hù)。 四是有效降低系統(tǒng)噪音、電磁干擾、射頻干擾，提高了系統(tǒng)的可靠性與安全性。五是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)集成度高，方便產(chǎn)品的系列化和模塊化。

3 功率單元散熱設(shè)計(jì)

煤機(jī)設(shè)備牽引電機(jī)一般在100kW 以下， 多為三相異步電機(jī)，驅(qū)動(dòng)變頻器所用IGBT 集成反并聯(lián)二極管，變頻器的三個(gè)半橋相位驅(qū)動(dòng)逆變器的相應(yīng)相線圈，以提供正弦電流波形，隨后使電機(jī)運(yùn)行。在IGBT 模塊不停開通關(guān)斷過程中，開關(guān)損耗和通態(tài)損耗將產(chǎn)生大量的熱量，使得溫升上升，因此，在設(shè)計(jì)、選型和使用IGBT 模塊時(shí)，應(yīng)當(dāng)合理配置電流和電壓等參數(shù)，以盡量減少發(fā)熱問題的出現(xiàn)。

牽引變頻器是重載運(yùn)煤車的核心控制單元， 由于設(shè)計(jì)的功率密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了正常產(chǎn)品的設(shè)計(jì)范圍， 高功率密度勢(shì)必帶來(lái)溫度的集聚升高， 因此其散熱設(shè)計(jì)是設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。針對(duì)交流變頻器功率單元，先對(duì)功率器件的通態(tài)損耗和開關(guān)損耗進(jìn)行理論計(jì)算， 考慮溫度對(duì)各種損耗的影響， 然后采用最小流量和散熱容量相互校驗(yàn)的水冷散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)重載運(yùn)煤車用變頻器功率器件的水冷散熱系統(tǒng)。眾所周知，散熱效果與壓力損失、散熱器的結(jié)構(gòu)模型、導(dǎo)熱材料的換熱性能息息相關(guān)，要想取得良好的散熱效果，需減小壓力損耗，提高熱交換性能，優(yōu)化散熱結(jié)構(gòu)。 為此，設(shè)計(jì)過程中合理的取值流道長(zhǎng)度、寬度、高度和布置流道數(shù)量，拐彎直角均采用光滑的弧角，有效減小沿程損失、局部損失。選擇密度小，導(dǎo)熱系數(shù)適中，比熱容較高的鋁合金為變頻器底板，但考慮到防爆殼體中鋁不能外露的要求， 防爆殼體水冷散熱器部分采用的是黃銅材質(zhì)，純水作為冷卻介質(zhì)，取得了較好的散熱效果。 散熱器結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 散熱器結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)重載運(yùn)煤車的整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、牽引電機(jī)功率、 電控系統(tǒng)預(yù)留空間、 冷卻條件等現(xiàn)狀進(jìn)行了深入研究分析后， 提出了采用高效散熱技術(shù)及高功率IGBT 的方法提高變頻器的整體功率密度，滿足重載運(yùn)煤車牽引性能要求的方案，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。疊層母排的應(yīng)用，提供了現(xiàn)代化的接線方式，設(shè)計(jì)規(guī)范，加工工藝成熟，易于實(shí)現(xiàn)，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。 該牽引變頻器已用于重載運(yùn)煤車上， 其帶載性能、保護(hù)性能均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，運(yùn)行可靠。