疊層母排在礦用變頻器上的應(yīng)用

劉 棟

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 煤峪口礦， 山西 大同 037041)

隨著電力電子技術(shù)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(guān)電源等電力電子技術(shù)的能量變換與管理應(yīng)用中，越來越成為主回路的首選功率開關(guān)器件。在牽引領(lǐng)域，變頻器功率登記一般都比較大，系統(tǒng)回路雜散電感也隨之增大，有效抑制系統(tǒng)回路雜散電感，降低IGBT關(guān)斷電壓尖峰，保護(hù)功率半導(dǎo)體器件可靠穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

母排是指供電系統(tǒng)，電柜中總制開關(guān)與各分路電路中的開關(guān)的連接銅排或鋁排，表面做絕緣處理，主要作用是做導(dǎo)線。疊層母排又稱復(fù)合母排、層疊母排、復(fù)合銅排，是一種多層復(fù)合結(jié)構(gòu)連接排。疊層母排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，在中、高功率變流場(chǎng)合廣泛使用[1,2]. 峪口礦隨著礦井延伸，巷道重新布置，運(yùn)輸系統(tǒng)相應(yīng)進(jìn)行了能力提升，盤區(qū)皮帶設(shè)計(jì)采用DTL120-3×800 kW固定式強(qiáng)力輸送機(jī)，其開關(guān)使用中壓變頻器聯(lián)合開關(guān)，替代之前的真空磁力啟動(dòng)器模式。為減少啟動(dòng)時(shí)間，保證系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，節(jié)省電量，降低生產(chǎn)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(shè)計(jì)原因

中壓變頻器采用三電平電路設(shè)計(jì)，交流輸出電壓為1 140 V，三電平電氣原理見圖1. 在設(shè)計(jì)過程中，模塊化連接點(diǎn)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(shí)三相橋臂還需要連接中線。如通過導(dǎo)線或普通硬排進(jìn)行搭接，會(huì)導(dǎo)致柜內(nèi)走線混亂，電磁干擾嚴(yán)重，系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。原變頻器采用普通母排占用空間大，且接線繁瑣復(fù)雜，為此改用疊層母排節(jié)省變頻器內(nèi)部空間，且接線簡(jiǎn)單。

中壓變頻上采用疊層母排設(shè)計(jì)，疊層母排直接將系統(tǒng)正負(fù)極、三相交流輸出極壓合成一個(gè)整體，簡(jiǎn)化了變頻器內(nèi)部導(dǎo)體連接，降低了系統(tǒng)雜散電感，變頻器的穩(wěn)定性及可靠性增強(qiáng)。

2 疊層母排運(yùn)用在中壓變頻器的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

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(guān)時(shí)間較短，導(dǎo)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(guān)斷的瞬時(shí)尖峰電壓會(huì)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(dǎo)致變頻器炸毀，對(duì)煤礦安全高效生產(chǎn)造成威脅。

采用q3d軟件進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)普通母排和疊層母排進(jìn)行雜散電感模擬測(cè)試。模擬只連接一個(gè)電容時(shí)的溫升分布電感，電容引腳距離32 mm.

圖1 三電平系統(tǒng)原理圖

分立母排：母排大小正負(fù)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(fù)極均為300 mm×56 mm×1 mm，分布電感大小為27.24 nH.

從試驗(yàn)結(jié)果看，疊層母排的雜散電感遠(yuǎn)小于分立母排，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，由于疊層母排間反向極性的導(dǎo)體產(chǎn)生相互抵消的磁場(chǎng)，可有效降低IGBT開關(guān)時(shí)刻的瞬時(shí)尖峰電壓。

2) 低局部放電率。

局部放電測(cè)試的目的是驗(yàn)證疊層母排的間隙放電量，一般在10 pC，局放測(cè)試值越小，說明疊層母排的電氣性能越穩(wěn)定，其運(yùn)行壽命也相對(duì)較長(zhǎng)。因此，將疊層母排運(yùn)用在礦用中壓變頻器上，可以降低設(shè)備的事故率，提高生產(chǎn)效率，提高整部系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低生產(chǎn)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(shí)現(xiàn)了內(nèi)部母排電氣隔離，同時(shí)也能對(duì)外部的粉塵、濕氣等實(shí)現(xiàn)隔離，提高了系統(tǒng)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(dǎo)電性，為了保證安全生產(chǎn)，降低設(shè)備故障率，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，因此采用疊層母排設(shè)計(jì)，同時(shí)可以間接提高生產(chǎn)效益。

4) 占用空間小，成本低。

使用疊層母排的設(shè)備能夠利用較小的空間實(shí)現(xiàn)大電流、高電壓元器件的連接，而且連接簡(jiǎn)單，便于維護(hù)。此外疊層母排的扁平結(jié)構(gòu)提供了更佳的散熱效果，因此該礦中壓變頻器長(zhǎng)時(shí)間工作，溫度不會(huì)過高，降低了設(shè)備事故率，保證了系統(tǒng)安全平穩(wěn)運(yùn)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(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行已有半年，整部系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，提高了安全系數(shù)和生產(chǎn)效率，預(yù)測(cè)后期礦井產(chǎn)量增大時(shí)，整部系統(tǒng)也可以正常穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié) 論

在變頻器設(shè)計(jì)中，中壓變頻器采用疊層母排，其系統(tǒng)雜散電感小，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性高，可靠性強(qiáng)，有效降低了系統(tǒng)故障率，且維護(hù)方便，更適用于井下惡劣的運(yùn)行環(huán)境。