煤礦井下用牽引變頻器的設計與應用

姜 銘

（1.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司， 山西 太原 030006； 2.山西天地煤機裝備有限公司， 山西 太原030006；3.煤礦采掘機械裝備國家工程實驗室， 山西 太原 030006）

0 引言

煤礦井下用運煤車是短壁開采技術體系中的重要運輸設備，主要用于煤礦井下煤巷掘進、不規則塊段開采以及回收煤柱等工況， 主要功能是將連續采煤機開采出的煤轉運到給料破碎機，實現煤炭的短距離運輸。其具有成本低、維護方便、工作穩定、可靠性高、行動靈活等突出優點，極大地提升了工作面的生產能力，減輕了工人勞動強度。隨著短壁開采技術體系的進一步發展，機械化設備自動化、智能化水平的不斷提高，運煤車的裝載能力逐漸無法滿足礦方的運輸效率，特別是在非煤礦山領域，增加運煤車的運載能力是提高短壁開采效率最直接可行的方式，因此，重載運煤車應運而生。

提高運煤車裝載能力，除了考核車體的裝載空間、承載強度、外形尺寸、轉彎半徑等技術指標外，最重要的是要匹配牽引系統的適應性。 由于受限于工況等因素，在載重性能大幅提升的運煤車上留給控制系統的空間并無多大變化，使得牽引系統的設計難度增大。 經過深入研究探討， 只能通過提高功率密度的方法來滿足重載運煤車牽引性能的要求，綜合考慮空間、散熱、電磁兼容等問題，本文詳細闡述了重載運煤車用牽引變頻器的設計思路。

1 整體設計

重載運煤車防爆牽引變頻器功率需求從100kW 提升至200kW，雖然載重能力有了大幅提升，但是留給電控系統的安裝空間并沒有增加， 變頻器體積可以在受限尺寸下增加10%，這樣狹小的空間內需設計出容量200kW 的變頻器，導致變頻器在設計時不能采用常規設計思路。 文獻[2]提出了功率密度的概念，功率密度是指以電力電子產品的輸出功率除以產品的體積， 代表了在目前的電力電子綜合設計能力（拓撲，器件，損耗，散熱，成本）下可以達到的綜合水平。研制高功率密度的變頻器，能夠以更小的功耗，更小的體積輸出更大的功率，從而在系統應用上帶來獨特的價值，特別適合空間受限的工況，能實現更低的系統成本，更高的可靠性，更小的系統體積。

1.1 主電路結構設計

為滿足牽引性能， 該變頻器在結構設計和控制方式上都另辟蹊徑，逆變側仍采納通用變頻器的逆變結構，而整流側采取IGBT 反并聯的二極管整流和IGBT 六脈波回饋控制技術，此方案在變頻器體積縮減上極具優勢，并極大簡化了控制算法。 主回路部分去掉了輸入正弦波濾波器和輸出電抗器等元部件， 有效地減少了防爆殼體內部電氣件的發熱量。 主電路結構如圖1 所示。

圖1 主電路結構圖

主回路參數設定突破了以往經驗設計值的限定，對于整流側，摒棄了傳統的PWM 調制技術，采用六脈波二極管整流和六脈波回饋控制策略。 此方案的優勢在于整流側幾乎沒有高頻干擾， 主回路部分借用供電線路阻抗和供電變壓器的漏抗充當部分輸入電抗器， 起回饋限流作用。 對于中間直流支撐電容， 用薄膜電容代替電解電容，降低容值的同時提高直流支撐電容工作穩定性，容值的選定沒有采用計算值或經驗值， 是通過實測方式得出（滿負載下母線電壓波動滿足設計要求）。 鑒于最終測試得出的電容容值特別小， 電容充電電流完全在整流側IGBT 開關管和續流二極管的承受范圍內，所以去掉了直流正母線上的軟啟動回路，從而進一步縮小了整體體積。經上述方法設計后，200kW 四象限變頻器主回路結構已設計完成，滿足了重載運煤車變頻牽引外形尺寸要求。

1.2 控制電路設計

控制電路的設計方案繼續沿用高功率密度的設計理念，在傳統四象限變頻器的基礎上，刪減了三相電壓相位檢測電路、三相鎖相環電路和充電電路的控制回路，使得控制回路精簡高效。

硬件電路完全模塊化設計，分為主控板、整流側驅動板、逆變側驅動板、整流側電流檢測板、逆變側電流檢測板、IGBT 保護板和底板溫度檢測等。 其中主控板電路包括電源回路、 通訊接口電路、IGBT 控制電路和信號采集電路等； 其中整流側驅動板和逆變側驅動板除了具備IGBT 控制觸發功能外，還在PCB 背面整合了三相電壓檢測及母線電壓檢測電路， 而且整流側驅動板和逆變側驅動板設計完全一樣，可以實現功能互換；其中IGBT 保護板是焊接在IGBT 上的，6 個IGBT 及其保護板都是一樣的；整流側電流檢測板和逆變側電流檢測板的PCB 設計及電流傳感器型號也是完全一致的， 這樣的設計非常便于生產、維修及后期產品系列化后的重新布局。

主控芯片不變， 增強了控制電路與主電路之間的隔離設計，從而提高了控制回路的抗干擾能力，增強了系統的穩定性。 IGBT 選用英飛凌FF400R33KF2C 模塊，驅動電路是基于Power Integrations 公司的2SD315-AI 模塊設計的，該驅動模塊自帶短路和過流保護功能，保證了大功率驅動下的高性能和高可靠性。

圖2 為系統整體設計框架。 采用CAN 通訊控制，程序內置三種驅動控制算法， 分別為速度開環V/F 控制算法、速度閉環矢量控制算法和速度閉環轉矩控制算法，根據實際工況通過CAN 通訊方式自由設置相應控制模式。要求電機是防爆變頻電機， 且必須內置增量式轉速編碼器以實現速度反饋， 同時內置溫控開關和PT100 以更好的保護電機。

圖2 系統整體設計框架

2 疊層母排設計

該牽引變頻器除了采用精準矢量變頻調速技術實現驅動電機轉速和轉矩的準確控制之外，在礦用變頻器的整體設計上進一步追求結構的簡化、性能的穩定。為此，引用了低電感的疊層母排技術， 為功率模塊提供結構清晰、安裝快速、裝配簡潔的連接部件，保障礦用變頻器運行的安全性、可靠性、穩定性。 疊層母排被廣泛應用于電控系統，是一種新興的便捷式電氣部件，因為其自身具有低電感的特點，能有效降低線路的分布電感，抑制尖峰電壓。

防爆變頻器功率單元主回路輸入為三相交流電，通過IGBT 整流，直流輸出，然后再經過逆變單元IGBT 逆變交流輸出，達到變頻效果的。 如通過導線進行搭接，會導致電控箱內走線混亂，電磁干擾嚴重，系統無法實現穩定可靠運行， 因此常用母排作為直流支撐電容與功率模塊的連接部件。 傳統母排在承受大電流的同時也有著占用空間大的弊端，在牽引變頻器狹窄的空間下不可取，因此選用疊層母排連接內部電路。 疊層母排直接將電源進線、三相交流輸入極、三相交流輸出極通過合理的結構、完美的折彎壓合成一個整體，走線簡化明了，接線方便，最主要的是在保證供電安全穩定可靠的基礎上極大地簡化了內部導體連接，使得控制箱內部走線整潔，即使空間狹窄也有條不紊，電氣連接可靠，方便維護檢修。 疊層母排結構如圖3 所示。

圖3 疊層母排結構

疊層母排的優勢在于：一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降低，有效抑制了尖峰電壓。二是其超薄扁平的設計風格，既節省了安裝空間，增大了散熱面積，又提供了極低的電阻，實現了大功率低溫升的效果，讓回路損耗降低至最低，以更低的電壓降提升了載流能力。三是簡潔緊湊的外形特征，采用成熟的制作工藝一次性粘合成型，極大地降低了生產安裝成本，接線便捷，易維護。 四是有效降低系統噪音、電磁干擾、射頻干擾，提高了系統的可靠性與安全性。五是結構設計集成度高，方便產品的系列化和模塊化。

3 功率單元散熱設計

煤機設備牽引電機一般在100kW 以下， 多為三相異步電機，驅動變頻器所用IGBT 集成反并聯二極管，變頻器的三個半橋相位驅動逆變器的相應相線圈，以提供正弦電流波形，隨后使電機運行。在IGBT 模塊不停開通關斷過程中，開關損耗和通態損耗將產生大量的熱量，使得溫升上升，因此，在設計、選型和使用IGBT 模塊時，應當合理配置電流和電壓等參數，以盡量減少發熱問題的出現。

牽引變頻器是重載運煤車的核心控制單元， 由于設計的功率密度遠遠超出了正常產品的設計范圍， 高功率密度勢必帶來溫度的集聚升高， 因此其散熱設計是設備穩定運行的關鍵環節。針對交流變頻器功率單元，先對功率器件的通態損耗和開關損耗進行理論計算， 考慮溫度對各種損耗的影響， 然后采用最小流量和散熱容量相互校驗的水冷散熱系統設計方法設計重載運煤車用變頻器功率器件的水冷散熱系統。眾所周知，散熱效果與壓力損失、散熱器的結構模型、導熱材料的換熱性能息息相關，要想取得良好的散熱效果，需減小壓力損耗，提高熱交換性能，優化散熱結構。 為此，設計過程中合理的取值流道長度、寬度、高度和布置流道數量，拐彎直角均采用光滑的弧角，有效減小沿程損失、局部損失。選擇密度小，導熱系數適中，比熱容較高的鋁合金為變頻器底板，但考慮到防爆殼體中鋁不能外露的要求， 防爆殼體水冷散熱器部分采用的是黃銅材質，純水作為冷卻介質，取得了較好的散熱效果。 散熱器結構如圖4 所示。

圖4 散熱器結構

4 結束語

通過對重載運煤車的整體設計結構、牽引電機功率、 電控系統預留空間、 冷卻條件等現狀進行了深入研究分析后， 提出了采用高效散熱技術及高功率IGBT 的方法提高變頻器的整體功率密度，滿足重載運煤車牽引性能要求的方案，最終實現設計。疊層母排的應用，提供了現代化的接線方式，設計規范，加工工藝成熟，易于實現，保證了系統的穩定運行。 該牽引變頻器已用于重載運煤車上， 其帶載性能、保護性能均達到了設計要求，運行可靠。