礦用2000kW中壓大功率變頻器的研究與設(shè)計(jì)

李峻光

（兗州煤業(yè)設(shè)備管理中心，山東 鄒城 273599）

1 引言

中國(guó)是煤炭產(chǎn)量大國(guó)，全國(guó)礦井?dāng)?shù)量驚人，隨著礦井大力推廣節(jié)能降耗，礦用變頻器在其中發(fā)揮了重要的作用，礦用變頻器在煤礦的使用也有數(shù)十年之久，隨著技術(shù)的積累各項(xiàng)性能指標(biāo)也得到了很大的提高[1-2]。

2 變頻器主回路的基本組成

變頻器先有工頻交流電源經(jīng)二極管整流，中間有DCLink電容濾波，最后再由IGBT器件將直流逆變成近似正弦的交流電路。

2.1 整流單元

近幾年來(lái)圖1所示的大功率二極管被廣泛應(yīng)用于變頻器整流部分，電網(wǎng)電源經(jīng)過(guò)整流成為直流電源。圖1所示的整流單元是6脈波整流裝置，整流完后直流部分諧波含量巨大，想要降低整流單元對(duì)電網(wǎng)的諧波電壓，我們采用移相變壓器生成相位互差30度兩組電源供給整流單元，直流電壓更加穩(wěn)定，電網(wǎng)諧波含量可以大大降低。

2.2 濾波單元（能量交換）

由于交流電源整流完是脈動(dòng)的直流電壓，含有的脈動(dòng)電壓尖峰是電源頻率幾倍以上，再加上逆變IGBT開(kāi)通關(guān)斷產(chǎn)生的電流脈動(dòng)使得直流電壓波動(dòng)幅度較大。為了消除電壓尖峰和抑制這些電壓波動(dòng)，采用高頻吸收電容和DCLink電容器來(lái)吸收。

2.3 IGBT逆變單元

采用進(jìn)口IGBT功率單元組成三電平結(jié)構(gòu)如圖2，驅(qū)動(dòng)部分采用光纖傳送信號(hào)，由上位控制核心發(fā)送SPWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)IGBT在一定頻率內(nèi)開(kāi)通和關(guān)斷，將直流電源變成近似正弦的交流電源。

3 2000 kW變頻器主回路的選型

3.1 大功率二極管的選型

①確定電壓額定值VRRM

由于在井下供電電網(wǎng)中常存在電壓波動(dòng)、重型設(shè)備停機(jī)時(shí)的峰值等因素，在計(jì)算大功率二極管的承受電壓時(shí)，取波動(dòng)系數(shù)為A=1.1，安全系數(shù)K=2。按式(1)確定。

式中，VAC是進(jìn)線電壓值(VAC=1700V)時(shí)

VAC是進(jìn)線電壓值(VAC=3300V)時(shí)

②確定電流額定值IF

大功率二極管額定電流按式(2)確定，取波動(dòng)系數(shù)為A=1.1，安全系數(shù)K=2

式中，IC為變頻器額定電流值（IC=400A）

③選擇二極管型號(hào)

按照以上計(jì)算所得結(jié)果，最后確定選擇Infineon公司的DD600S65KL3_B5，主要性能參數(shù)如下：VRRM=6500V，IF=2×600A。將此二極管串聯(lián)來(lái)提高耐壓到13000V，內(nèi)部并聯(lián)電流增加至1200A來(lái)使用。

3.2 IGBT功率模塊的選型

三電平逆變器主要由HVIGBT構(gòu)成,作用是在規(guī)定的時(shí)間里按照SPWM波輸出使十二個(gè)HVIGBT功率開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷，將直流變換為所需電壓和頻率的交流。

①確定IGBT電壓額定值UC

由于整流二級(jí)管是直接與供電電源相連，進(jìn)線電源容易受到外界各方面的干擾。IGBT是安裝在逆變單元上，它的發(fā)射極或集電極是與DCLink電容相聯(lián)，該電容能夠緩沖電網(wǎng)波動(dòng)和雜波干擾的作用，因此，二極管選擇的安全系數(shù)比IGBT的安全系數(shù)大?，F(xiàn)移動(dòng)變壓器低壓側(cè)電壓為2×1700V或3300V，慮波后的直流電壓Vr由式（3）求得，式中波動(dòng)系數(shù)A為1.1，取安全系數(shù)K=1.1

IGBT關(guān)斷時(shí)的尖峰電壓按(4)計(jì)算

式中，過(guò)電壓的保護(hù)系數(shù)為B=1.15，150為由雜散電感引起的尖峰電壓，K=1.1為安全系數(shù)。

令VCEP≥0.5VC，參考IGBT的實(shí)際型號(hào)電壓等級(jí)，因?yàn)槭侨娖酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)所以取VCEP=4500V。

②確定IGBT電流額定值IC

因?yàn)橐苿?dòng)變電站的低壓側(cè)電壓Uin為2×1700或3300V，額定負(fù)載功率為2000kW，變頻器容量為2250KVA。

式中，P為變頻器額定容量，0.9為移動(dòng)變電站電壓波動(dòng)系數(shù)，1.5為允許5分鐘的過(guò)載倍數(shù)，是Io的峰值，1.4是Ic的減小系數(shù)，IGBT數(shù)據(jù)手冊(cè)給出的額定電流是在常溫25℃時(shí)的一個(gè)標(biāo)定值，實(shí)際工作時(shí)，由于熱損耗，溫度要升高，Ic的額定容量會(huì)下降。由上式，可求出

(25C時(shí))

③選擇IGBT型號(hào)

根據(jù)以上公式計(jì)算及市場(chǎng)性?xún)r(jià)比所得，最后確定選擇Infineon公司的HVIGBT，型號(hào)為FF1200R45KF2C，因逆變單元為三電平結(jié)構(gòu)，所以HVIGBT模塊的主要性能參數(shù)如下：VCES=4500V，Ic=1200A。

3.3 濾波電容的選型

等效濾波電容的阻值R如下，V為直流回路的平均電壓，P為直流回路的額定功率

對(duì)于三相全波不可控整流電路，其輸出的電壓平均值為

式中，Vj為線電壓有效值

所以 Vd=1.35Vj=1.35×3300=4455V

在變頻器處于過(guò)載和欠壓的情況下，將V=1.2Vd，P=1.2P'，其中P=2000kW為變頻器額定輸出功率，所以

經(jīng)過(guò)整流橋整流后的直流頻率f（單相全波整流f=50Hz，三相全波整流

f=150Hz給出濾波電容估算式，(4～6)/C=T/RL。其中，T=1/f，所以

中間直流回路的支撐電容容量越大越好，可以承受較強(qiáng)的負(fù)載能力，在該變頻器中采用3個(gè)2×2100UF/2800V的電容并聯(lián)，從中間取中性點(diǎn)，在中性點(diǎn)到直流正和中性點(diǎn)到直流負(fù)各并聯(lián)一個(gè)阻值相等的均壓電阻，這樣能夠在停機(jī)時(shí)將直流回路的電壓釋放掉。

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了礦用2000kW中壓變頻器的工作原理及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，器件選型計(jì)算，變頻器冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該變頻系統(tǒng)采用行業(yè)內(nèi)優(yōu)質(zhì)的器件，可靠的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和散熱好的冷卻系統(tǒng)，使得該型變頻器做到業(yè)內(nèi)功率密度最大，體積小發(fā)熱量低，輸出波形好的礦用中壓變頻器。