礦用2000kW中壓大功率變頻器的研究與設計

李峻光

【摘 要】隨著煤礦智能化開采不斷發展，節能降耗已成為能源開采的發展趨勢，礦用變頻器的應用也不斷加大，煤礦大型設備配套變頻器的功率也逐年增大。論文闡述了礦用2000kW大功率變頻器的主回路工作原理，三電平結構的器件選型，散熱處理等。

【Abstract】With the continuous development of the intellectualized mining of coal mine， saving energy and reducing consumption has become the development trend of the energy mining. The application of mine frequency converter is also increasing. The power of auxiliary frequency converter of large equipment in coal mine is also increasing year by year. The paper expounds the working principle of the main circuit of 2000kW high power converter used in mine， the device selection of three level structure， heat dissipation and so on.

【關鍵詞】大功率；變頻器；三電平

【Keywords】 high power； converter； three level structure

【中圖分類號】TM464 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）07-0191-02

1 引言

中國是煤炭產量大國，全國礦井數量驚人，隨著礦井大力推廣節能降耗，礦用變頻器在其中發揮了重要的作用，礦用變頻器在煤礦的使用也有數十年之久，隨著技術的積累各項性能指標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

近幾年來圖1所示的大功率二極管被廣泛應用于變頻器整流部分，電網電源經過整流成為直流電源。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電網的諧波電壓，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，直流電壓更加穩定，電網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的直流電壓，含有的脈動電壓尖峰是電源頻率幾倍以上，再加上逆變IGBT開通關斷產生的電流脈動使得直流電壓波動幅度較大。為了消除電壓尖峰和抑制這些電壓波動，采用高頻吸收電容和DCLink電容器來吸收。

2.3 IGBT逆變單元

采用進口IGBT功率單元組成三電平結構如圖2，驅動部分采用光纖傳送信號，由上位控制核心發送SPWM信號驅動IGBT在一定頻率內開通和關斷，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中常存在電壓波動、重型設備停機時的峰值等因素，在計算大功率二極管的承受電壓時，取波動系數為A=1.1，安全系數K=2。按式（1）確定。

③選擇二極管型號

按照以上計算所得結果，最后確定選擇Infineon公司的DD600S65KL3_B5，主要性能參數如下：VRRM=6500V，IF=2×600A。將此二極管串聯來提高耐壓到13000V，內部并聯電流增加至1200A來使用。

3.2 IGBT功率模塊的選型

三電平逆變器主要由HVIGBT 構成，作用是在規定的時間里按照SPWM波輸出使十二個HVIGBT功率開關器件導通、關斷，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

由于整流二級管是直接與供電電源相連，進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，它的發射極或集電極是與DCLink電容相聯，該電容能夠緩沖電網波動和雜波干擾的作用，因此，二極管選擇的安全系數比IGBT的安全系數大?，F移動變壓器低壓側電壓為2×1700V或3300V ，慮波后的直流電壓Vr由式（3）求得，式中波動系數A為1.1，取安全系數K=1.1

IGBT關斷時的尖峰電壓按（4）計算

VC= （5646×B +150）×K=7307V（4）

式中，過電壓的保護系數為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。

令VCEP ≥0.5VC，參考IGBT的實際型號電壓等級，因為是三電平拓撲結構所以取VCEP=4500V 。

②確定IGBT電流額定值IC

因為移動變電站的低壓側電壓Uin為2×1700或3300V ，額定負載功率為2000kW ，變頻器容量為2250KVA。

③選擇IGBT型號

根據以上公式計算及市場性價比所得，最后確定選擇Infineon公司的HVIGBT，型號為FF1200R45KF2C，因逆變單元為三電平結構，所以HVIGBT 模塊的主要性能參數如下：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

對于三相全波不可控整流電路，其輸出的電壓平均值為

Vd= 1.35Vj （7）

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

經過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

中間直流回路的支撐電容容量越大越好，可以承受較強的負載能力，在該變頻器中采用3個2×2100UF/2800V 的電容并聯，從中間取中性點，在中性點到直流正和中性點到直流負各并聯一個阻值相等的均壓電阻，這樣能夠在停機時將直流回路的電壓釋放掉。

4 結語

本文分析了礦用2000kW中壓變頻器的工作原理及拓撲結構，器件選型計算，變頻器冷卻結構設計。該變頻系統采用行業內優質的器件，可靠的拓撲結構和散熱好的冷卻系統，使得該型變頻器做到業內功率密度最大，體積小發熱量低，輸出波形好的礦用中壓變頻器。

【參考文獻】

【1】王兆安. 黃俊電力電子技術[M]. 北京：機械工業出版社，2000.

【2】張選正， 顧紅兵. 中高壓變頻器應用技術[M]. 北京： 電子工業出版社， 2007.