提高礦用中壓變頻器硬件可靠性方法的分析和研究

楊超　王建才

摘 要：為了切實提高礦用變頻器的可靠性，本文分析了浪涌電流諧波、短路以及溫度等變頻器中硬件損壞的原因，在優化變頻器的基礎上，改善其穩定性，促進正常運行。

關鍵詞：礦用;中壓變頻器;硬件可靠性

前言

隨著計算機技術與電力電子技術的快速發展，煤礦變頻調速技術也具備高精度控制、節能等優勢。但實際使用期間，變頻器極易出現故障問題，為了提高硬件運行可靠性，本文分析了變頻器輸入環節至輸出環節故障原因，提出了提高可靠性的方法，以期為此后礦用中壓變頻器的合理利用提供更多借鑒依據。

1.礦用中壓變頻器故障原因

一是浪涌電流與諧波，當電網浪涌電流較大時，會出現三相電壓不平衡問題，電容濾波產生的尖脈沖電流會嚴重沖擊整流模塊，降低了其使用壽命。二是分布電感與分布電容，雜散分布電感與分布電容中分布較多直流母線，在IGBT開通關斷時會產生較大的電荷變化量，以致電容產生較大的放電與充電電流，瞬間過電壓與過電流沖擊會直接損壞IGBT。除此之外，逆變側布線不當或負載電纜過長均會產生分布電容，出現對地漏電流，且電壓波形會出現尖峰電流，嚴重沖擊IGBT，使其損壞。三是溫度，工作期間變頻器會出現功率損耗問題，通過集中熱形式表現。礦用變頻器安裝空間較小，大量散熱會急劇升高變頻器溫度，損壞零部件功能。且半導體比較敏感溫度，會改變兩個IGBT開通與關斷時間，當超過極限值時，輸出波形改變，會直接損壞同一橋臂的IGBT。四是短路，電纜絕緣失效會直接導致短路負載問題，直接損壞變頻器，無法起到保護作用。且在較大短路電流下，IGBT關斷速度較快，很容易引起電壓尖峰，損壞IGBT。五是剛性連接，變頻器較常應用至采煤機，工作期間會受到嚴重的振動沖擊，直流母線連接IGBT接線端子過于剛硬，在機械振動下，IGBT一定會受到損傷[1]。

2.提高中壓變頻器可靠性方法

2.1改造網側電路

一是增加隔離變壓器，直接過濾變壓器輸入端電源電壓，為用電設備提供純凈電壓。隔離變壓器次級不連接大地，大地與兩線之間不存在電位差，人接觸時不會出現觸電問題。二是增加輸入電抗器，在降低輸入高次諧波與瞬變電壓的前提下，抑制電網側高頻浪涌電壓與浪涌電流，保證電網、浪涌電流以及諧波電流的平衡性，充分保護變頻器。同時，增加電抗器還可以改變變頻器功率因數，提高電網質量，抑制諧波電流的發生。三是增加諧波補償器與無功補償器，避免電網功力消耗問題，在合理控制電力系統無功功率的基礎上，提高電能質量，保證用戶的功率因數，且是提高電力系統的抗干擾能力。具體而言，變頻器解決負序電流與諧波分量問題時，應合理安裝有源濾波器、無功補償器。四是增加PWM整流器，不可控整流器結構簡單，但網側不可安裝，因為諧波會嚴重污染電網，無法保證電能回饋，電動機不能在四象限運行。因此應合理增加PWM整流器，在確保電流正弦化的基礎上，杜絕污染電網。為了確保電機在四象限內運行，電動機制動產生的多余能量應回饋至電網，充分節約能源，保證PWM整流器處于可控運行狀態，保證直流電壓的恒定性。當能量回饋電流電壓圖時，電流與電壓相差180°時，PWM整流器可以實現能量回饋[2]。

2.2低雜散電感直流母線設計

礦用中壓變頻器應采用低雜散電感直流母線設計模式，其運行成本低、電感小且阻抗小，具備良好的熱特性與電磁兼容性能，應用效果良好。此設計結構主要疊放多層銅板，利用絕緣導熱材料制成的薄膜隔離層與層，粘連為功率器件與直流電容連接結構。當安裝條件允許時，每個橋臂應單獨安裝電容，在減少雜散電感的基礎上，減小逆變模板的間距與包圍面積，采用電容并聯方式，在滿足雜散電感低要求的基礎上，滿足直流環節的電容需求。

2.3優化驅動電路

為了進一步提高IGBT可靠性，保證較高的使用質量，在改善變頻器時應采用優化驅動電路方法，保證輸入合理的驅動電流與功率，提供合適的驅動信號，促使變頻器具備足夠的輸出電隔離能力。為了確保IGBT的正常運行，工作人員應根據變頻器IGBT運行數據合理選擇呢驅動電阻數值，一旦發現電路短路情況，迅速增加電極電流，保護電路監測，及時關斷IGBT。當保證固定的柵極關斷電阻，過電流與過電壓數值遠高于工作狀態，會嚴重損傷IGBT，為了避免損傷電壓，可以串聯額外電阻，采用優化驅動電路方式，在延長關斷時間的基礎上，提高柵極關斷電阻，避免影響過電流與過電壓，以便及時關斷IGBT。

2.4改善IGBT散熱情況

為了進一步優化通路分配電阻，工作人員應合理設計IGBT散熱通路，根據熱流密度情況選擇合理的散熱方式，做好水泵、風機的選型工作，科學涂抹導熱硅脂，不斷優化水路與風道設計模式。在涂抹導熱硅脂時，應保證科學性與可行性，將導熱硅脂填充至散熱器基板安裝面與IGBT之間，在降低散熱器基板與零器件熱阻值的前提下，確保兩者接觸良好，實現均勻散熱效果。但需要注意的是，比如注重正確涂抹導熱硅脂，以硬滾筒刷涂抹方式效果一般，需要較多的硅脂量。而絲網印刷需要較小的硅脂量，具備良好的導熱效果，且使用硅脂量較少，因此較常采用絲網印刷方法[3]。

2.5改進連接模式

IGBT剛性連接會因振動沖擊導致接線端出現機械損傷問題，因此應改變接線端子結構，利用柔線連接方法，杜絕損傷接線端，并充分釋放機械應力。比如可以在接線端開度寬度為1mm的槽，相鄰槽間距保持為三分之一端子寬度，為了降低機械沖擊程度，還可以合理采用軟線連接方法[4]。

2.6控制板與IGBT通訊抗干擾措施

以往在強化變頻器抗干擾性能方面，通常采用屏蔽電纜方法，但這種方法運行成本較高。而利用光纖則可以保證控制板與IGBT的隔離，在強化干擾性能的基礎上，保證高水平的通訊質量。

結束語

在提高礦用變頻器硬件可靠性方面，相關工作人員應在保證其性能的基礎上，合理采用抗干擾、抗振動以及散熱等先進技術，優化變頻器細節，改進連接模式，從而切實提高變頻器的穩定性。

參考文獻

[1]王亮.煤礦機電設備中高壓變頻器的應用與選型[J].科技傳播，2014，0（21）：119.

[2]雷偉強.中壓變頻器的維護及故障處理分析[J].中國新技術新產品，2017，（4）：62，116.

[3]郭亞存.中壓變頻器在煤礦主扇風機節能改造中的應用[J].現代礦業，2016，（12）：158，160.

[4]白明.船舶中壓變頻器的拓撲結構及其諧波抑制技術[J].廣州航海高等?？茖W校學報，2013，（1）：1-3.

作者簡介：

楊超（1979.4-），男，碩士，副教授，現工作于黑龍江工業學院，研究方向：電氣工程及其自動化

王建才（1979.9-），男，碩士，工程師，現工作于黑龍江科技大學，研究方向：計算機控制