疊成母排的優點及其在采煤機變頻器上的應用

黑龍江省鶴崗市峻德煤礦　張國維

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疊成母排的優點及其在采煤機變頻器上的應用

黑龍江省鶴崗市峻德煤礦張國維

【摘要】疊層母排是一種新興、低電感、便捷的電氣重要連接部件，由于其自身的優點，使其可在小、中、高功率變流場合普遍使用，不僅涉及光伏、風電產業，也可在各類變頻器、整流裝置中使用，是電力行業發展不可或缺的重要部件。

【關鍵詞】疊層母排；雜散電感；分布電感；IGBT；電壓尖峰；浪涌電壓

1　引言

隨著疊層母排技術的不斷拓展，現如今我局內使用的1510型采煤機及390型采煤機變頻器內部也逐漸引進了疊層母排這項技術，疊層母排又稱為復合母排，層疊母排，夾層匯流排，低感母排（如圖1所示），是一種多層復合結構的連接方式，可算是配電系統的高速公路。與傳統的、笨重的、麻煩的配線方法相比，疊層母排可以提供現代的、易于設計、安裝快速和結構清晰的配電系統。它具有可重復電氣性能、低電感、低阻抗、抗干擾、可靠性高、節省空間、裝配簡潔等特點，可作為大功率模塊化的連接部件。疊層母排由于具有以上優點，因此廣泛應用于光伏、風電、電力及混合牽引、電力制動單元、電力牽引設備、電力開關系統、電動設備的功率轉換模塊等場所。

圖1　 疊層母排外形圖

2　疊層母排的結構及其優點

疊層母排是將兩層或者多層銅排疊在一起，銅板層與層之間用絕緣材料進行電氣隔離，通過相關工藝將導電層和絕緣層壓制成一個整體。它的優勢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電層的表面積，同時導電層之間的間隔大幅度降低，由于鄰近效應使得相鄰導電層流過相反的電流，他們產生的磁場相互抵消，從而使得線路中的分布電感大幅度降低。另外由于其扁平的外形特征，其散熱面積大幅增加，這樣大大提升了其載流能力。

疊層母排的優點如下：

1)疊層母排采用一次性粘合成型，大大降低了設備的總體成本，同時降低了生產安裝及日后檢修安裝的出錯幾率；

2)疊層母排設計合理，空間緊湊，為電氣設備節省了很大的空間；

3)疊層母排采用了大面積復合銅板及高絕緣型隔斷材料，降低了自身阻抗，增加了分布電容，同時提高了設備的可靠性及安全性；

4)同等情形下，與傳統的電纜及母排連接方式相比，疊層母排的設計外形提高了自身的載流能力，同時對于自身的散熱效果也得到了極大的改善；

5)由于疊層母排的設計方式，使其自身具有極低的電感；

對于疊層母排來說，其最重要的優點就是自身的低電感（對于IGBT等開關器件，可有效的避免其由于浪涌電壓而引起的擊穿），這是其他母線無法比擬的。

3　疊層母排與其他傳統母排的比較

在電氣設備的主電路中，由于電容等其他器件的自身特性，所寄生電感等一般都無法消除的，要想有效的降低電壓尖峰的最根本措施，就是降低主回路母線所產生的分布電感。

直流側連接電容與開關器件的方式，通常有以下幾種連接方式：

1)并行組合的銅板或者銅條。其特點是制造簡單，容易操作，雖然能減低一定的電壓尖峰，但其自身產生的互感仍然很大，僅僅適用于功率大但性能要求低的設備；

2)電纜線。其特點是造價低，布線靈活，但是電纜本身所產生的自感及互感大，性能低，而且自身電流承載量小。僅僅適用于功率不大，且性能要求低的設備；

3)同軸電纜。其特點是使用方便，且同軸電纜的互感不大，但價格較貴，載流量不大，適用于性能要求一般的低功耗場合；

4)疊層母排。由于自自身設計的結構特性，使得母排上、下層所產生的電磁場互相抵消，所以線路中的分布電感得到了降低。同時其偏平的外形特點，增大了散熱面積，加大了自身的電流載流量。

各種母線結構的電感對比如圖2所示。

圖2　疊層母排外形圖

從圖2中可看出疊層母排的電感遠遠小于其他三種母線形式，因此，從降低系統成本及增加系統的可靠性、安全性角度考慮，采用疊層母排是非常有必要的。

4　疊層母排在采煤機變頻器上的應用

在電氣設備上普通的連接器件所產生的浪涌電壓所引起的雜散電感會電氣設備產生影響，嚴重時會引起開關器件的擊穿，下面我們以1510型采煤機變頻器主回路上上的IGBT說明一下雜散電感對于電力設備所產生的嚴重影響。

圖3　1510型采煤機變頻器主回路結構

IGBT作為電氣回路的開關器件，工作過程中主要有四個狀態，既斷態狀態、開通狀態、通態狀態、關斷狀態，IGBT的尖峰電壓主要在IGBT的四個工作狀態相互轉換過程中產生。

圖3為1510型采煤機變頻器主回路結構，變頻器主回路中主要包括：1)直流側充電電容；2)充電電阻；3)直流母線排；4)開關器件；5)電感。工作過程中，由于電氣特性各部線路會產生相應的分布電感，如：直流側充電電容和開關器件之間所產生的線路分布電感Ls。所產生的線路分布電感Ls其中包括充電電容的寄生電感、主回路母線的雜散電感和開關器件IGBT的寄生電感、螺栓引腳雜散電感等。

當開關器件T1關斷的瞬間，電感Ls會阻止主回路電流迅速減小，此時就會在電感 兩端感應出瞬態尖峰電壓△U，瞬態尖峰電壓的大小由下式決定：

△U=Ls*di/dt

因此，T1關斷時承受的電壓為Vd+Ls*di/dt，即IGBT開關動作時的電壓電流應力和主回路中的分布電感有著非常重要的關系，IGBT工作在一定的di/ dt時，產生的電壓尖峰和分布電感大小就成正比。在大功率逆變電路中，開關器件需要承受的di/dt可達2kA/μs甚至 3kA/μs，因此其浪涌電壓會非常的高，會導致很多嚴重的問題出現，如造成器件過壓（即擊穿IGBT），輸出諧波增加，開關器件的損耗增加，產生嚴重的EMI干擾等。

對于一定功率的逆變電路來說，其分布電感中包含有直流側電容、螺栓引腳雜散電感、開關器件的寄生電感和主回路母線的雜散電感。由于電容和開關器件的寄生電感由于制作工藝的限制無法降低，因此，要想降低電路中分布電感的產生，應從主回路母線入手。當使用了設計不當的母線就會造成雜散電感過高，產生很高的浪涌電壓，這樣會對IGBT及整個電路造成非常嚴重的損壞。而如果采用設計優良的低電感母線，不僅可大幅降低浪涌電壓，還可省去吸收電路，降低IGBT的選型電壓，對于整個系統的成本降低和安全性提高都有很大的幫助。事實證明1510型采煤機變頻器采用疊層母排連接后大大減低了變頻器炸毀IGBT的機率，提高了變頻器的使用期限，保證了煤礦生產的延續性。

5　結束語

本文從疊層母排的結構及優點入手，探討了疊層母排在降低電力器件關斷時的浪涌電壓方面具有的巨大優勢，用實際數據證明了疊層母排同比其他連接線排的低電感性，并通過我局1510型采煤機變頻器內采用疊層母排所取得的成果證明了疊層母排對于整個電力行業的深遠影響。疊層母排的引進不僅可以增強設備的穩定性，同時也大大降低了設備的造價，因此疊層母排是現如今電力母排的發展方向，且隨著電力行業的飛速發展，疊層母排的發展前景將更加光明。

參考文獻

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[2]陳靜.三電平變換器無感母排設計[J].電氣自動化,2013(5).

[3]楊磊,張志峰.IGBT關斷尖峰電壓抑制方法的研究[J].船電技術,2009(4).

張國維（1983—），男，中共黨員，黑龍江雙鴨山人，現工作于龍煤集團鶴崗分公司峻德煤礦，從事技術工作。

作者簡介：