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）

煤炭企業快速發展，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，實現功率單元級聯多電平控制和空間電壓矢量控制技術具有現實的應用價值。

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、水冷散熱系統、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方式連接，可以實現用低壓器件代替高壓器件達到高壓輸出的目的，這種級聯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拓撲結構圖

2 系統硬件設計

系統硬件框圖如圖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 硬件系統框圖

系統采用DSP和FPGA高性能芯片作為核心控制器，DSP與FPGA之間采用了DMA通訊技術傳輸數據。DSP作為主控制器負責變頻器控制算法的實現，采用SPWM算法、載波移相技術，計算出控制信號并傳送給FPGA，FPGA負責接收DSP傳送來的數據，并生成控制IGBT的信號，FPGA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字量信號，并作出相應的邏輯處理；同時負責采集各種現場指令和狀態信號，便于發出控制和協調指令。

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

3 散熱系統設計

高壓防爆變頻器水冷散熱系統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，設計了封閉式循環水冷卻系統。該系統主要由內循環水回路、外循環水回路、水冷裝置控制系統組成。15個功率單元和變壓器采用了水路管道并聯的方案，15個功率單元之間也采用了并聯水路方式進行散熱（如圖3所示）。

圖3 散熱系統框圖

散熱系統工作流程：內循環冷卻水由主循環泵升壓，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，內循環冷卻水再回到主循環泵，以此循環。循環管路設有緩沖罐作為穩壓吸收為保證整個系統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水和外循環水進行熱交換，將內循環水溫度降到系統要求的水溫，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、功率單元級聯多電平技術并在DSP+FPGA為核心的控制單元上得以實現。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、性能穩定，具有良好的應用前景。