叠层母排在矿用变频器上的应用

刘 栋

(晋能控股煤业集团 煤峪口矿， 山西 大同 037041)

随着电力电子技术的发展，(Insulated Gate Bipolar Transistor)绝缘栅双极型晶体管IGBT在变频器、大功率开关电源等电力电子技术的能量变换与管理应用中，越来越成为主回路的首选功率开关器件。在牵引领域，变频器功率登记一般都比较大，系统回路杂散电感也随之增大，有效抑制系统回路杂散电感，降低IGBT关断电压尖峰，保护功率半导体器件可靠稳定运行至关重要。

母排是指供电系统，电柜中总制开关与各分路电路中的开关的连接铜排或铝排，表面做绝缘处理，主要作用是做导线。叠层母排又称复合母排、层叠母排、复合铜排，是一种多层复合结构连接排。叠层母排是一种新兴的便捷式电气部件，因为其自身具有低电感的特点，能有效降低线路的分布电感，抑制尖峰电压，在中、高功率变流场合广泛使用[1,2]. 峪口矿随着矿井延伸，巷道重新布置，运输系统相应进行了能力提升，盘区皮带设计采用DTL120-3×800 kW固定式强力输送机，其开关使用中压变频器联合开关，替代之前的真空磁力启动器模式。为减少启动时间，保证系统平稳运行，节省电量，降低生产成本，中压变频器选用叠层母排。

1 中压变频器选用叠层母排设计原因

中压变频器采用三电平电路设计，交流输出电压为1 140 V，三电平电气原理见图1. 在设计过程中，模块化连接点较多：Q1与Q2连接，且与Q5连接；Q2与Q3连接；Q3与Q4连接，且与Q6连接；同时三相桥臂还需要连接中线。如通过导线或普通硬排进行搭接，会导致柜内走线混乱，电磁干扰严重，系统无法实现稳定可靠运行。原变频器采用普通母排占用空间大，且接线繁琐复杂，为此改用叠层母排节省变频器内部空间，且接线简单。

中压变频上采用叠层母排设计，叠层母排直接将系统正负极、三相交流输出极压合成一个整体，简化了变频器内部导体连接，降低了系统杂散电感，变频器的稳定性及可靠性增强。

2 叠层母排运用在中压变频器的技术优势

1) 低分布电感。

由于中压变频器为大功率变流器，其使用的IGBT的开关时间较短，导致了过高的dv/dt和di/dt，由于IGBT的电压与di/dt的分布杂散电感成正比，如杂散电感越大，IGBT开通关断的瞬时尖峰电压会成倍增加，一旦尖峰电压超过IGBT的耐受额定电压[3]，则IGBT直接发生过压击穿，导致变频器炸毁，对煤矿安全高效生产造成威胁。

采用q3d软件进行试验，对普通母排和叠层母排进行杂散电感模拟测试。模拟只连接一个电容时的温升分布电感，电容引脚距离32 mm.

图1 三电平系统原理图

分立母排：母排大小正负极均为300 mm×24 mm×2 mm，分布电感大小为168.17 nH.

叠层母排：母排大小正负极均为300 mm×56 mm×1 mm，分布电感大小为27.24 nH.

从试验结果看，叠层母排的杂散电感远小于分立母排，在系统运行过程中，由于叠层母排间反向极性的导体产生相互抵消的磁场，可有效降低IGBT开关时刻的瞬时尖峰电压。

2) 低局部放电率。

局部放电测试的目的是验证叠层母排的间隙放电量，一般在10 pC，局放测试值越小，说明叠层母排的电气性能越稳定，其运行寿命也相对较长。因此，将叠层母排运用在矿用中压变频器上，可以降低设备的事故率，提高生产效率，提高整部系统稳定性，降低生产成本。

3) 高电气安全性。

叠层母排中层与层之间添加了高压绝缘纸，且外层也增加了耐高压绝缘纸，既有效实现了内部母排电气隔离，同时也能对外部的粉尘、湿气等实现隔离，提高了系统的安全可靠性。煤矿井下环境恶劣，煤尘较

多，而煤尘多属于碳性成分，具有导电性，为了保证安全生产，降低设备故障率，保证系统的稳定运行，因此采用叠层母排设计，同时可以间接提高生产效益。

4) 占用空间小，成本低。

使用叠层母排的设备能够利用较小的空间实现大电流、高电压元器件的连接，而且连接简单，便于维护。此外叠层母排的扁平结构提供了更佳的散热效果，因此该矿中压变频器长时间工作，温度不会过高，降低了设备事故率，保证了系统安全平稳运行。

3 效 果

中压变频器采用低电感叠层母排作为直流支撑电容与功率模块的连接部件，截止2020年12月，在井下现场运行已有半年，整部系统运行稳定，提高了安全系数和生产效率，预测后期矿井产量增大时，整部系统也可以正常稳定运行。

4 结 论

在变频器设计中，中压变频器采用叠层母排，其系统杂散电感小，系统运行稳定性高，可靠性强，有效降低了系统故障率，且维护方便，更适用于井下恶劣的运行环境。