煤矿井下用牵引变频器的设计与应用

姜 铭

（1.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司， 山西 太原 030006； 2.山西天地煤机装备有限公司， 山西 太原030006；3.煤矿采掘机械装备国家工程实验室， 山西 太原 030006）

0 引言

煤矿井下用运煤车是短壁开采技术体系中的重要运输设备，主要用于煤矿井下煤巷掘进、不规则块段开采以及回收煤柱等工况， 主要功能是将连续采煤机开采出的煤转运到给料破碎机，实现煤炭的短距离运输。其具有成本低、维护方便、工作稳定、可靠性高、行动灵活等突出优点，极大地提升了工作面的生产能力，减轻了工人劳动强度。随着短壁开采技术体系的进一步发展，机械化设备自动化、智能化水平的不断提高，运煤车的装载能力逐渐无法满足矿方的运输效率，特别是在非煤矿山领域，增加运煤车的运载能力是提高短壁开采效率最直接可行的方式，因此，重载运煤车应运而生。

提高运煤车装载能力，除了考核车体的装载空间、承载强度、外形尺寸、转弯半径等技术指标外，最重要的是要匹配牵引系统的适应性。 由于受限于工况等因素，在载重性能大幅提升的运煤车上留给控制系统的空间并无多大变化，使得牵引系统的设计难度增大。 经过深入研究探讨， 只能通过提高功率密度的方法来满足重载运煤车牵引性能的要求，综合考虑空间、散热、电磁兼容等问题，本文详细阐述了重载运煤车用牵引变频器的设计思路。

1 整体设计

重载运煤车防爆牵引变频器功率需求从100kW 提升至200kW，虽然载重能力有了大幅提升，但是留给电控系统的安装空间并没有增加， 变频器体积可以在受限尺寸下增加10%，这样狭小的空间内需设计出容量200kW 的变频器，导致变频器在设计时不能采用常规设计思路。 文献[2]提出了功率密度的概念，功率密度是指以电力电子产品的输出功率除以产品的体积， 代表了在目前的电力电子综合设计能力（拓扑，器件，损耗，散热，成本）下可以达到的综合水平。研制高功率密度的变频器，能够以更小的功耗，更小的体积输出更大的功率，从而在系统应用上带来独特的价值，特别适合空间受限的工况，能实现更低的系统成本，更高的可靠性，更小的系统体积。

1.1 主电路结构设计

为满足牵引性能， 该变频器在结构设计和控制方式上都另辟蹊径，逆变侧仍采纳通用变频器的逆变结构，而整流侧采取IGBT 反并联的二极管整流和IGBT 六脉波回馈控制技术，此方案在变频器体积缩减上极具优势，并极大简化了控制算法。 主回路部分去掉了输入正弦波滤波器和输出电抗器等元部件， 有效地减少了防爆壳体内部电气件的发热量。 主电路结构如图1 所示。

图1 主电路结构图

主回路参数设定突破了以往经验设计值的限定，对于整流侧，摒弃了传统的PWM 调制技术，采用六脉波二极管整流和六脉波回馈控制策略。 此方案的优势在于整流侧几乎没有高频干扰， 主回路部分借用供电线路阻抗和供电变压器的漏抗充当部分输入电抗器， 起回馈限流作用。 对于中间直流支撑电容， 用薄膜电容代替电解电容，降低容值的同时提高直流支撑电容工作稳定性，容值的选定没有采用计算值或经验值， 是通过实测方式得出（满负载下母线电压波动满足设计要求）。 鉴于最终测试得出的电容容值特别小， 电容充电电流完全在整流侧IGBT 开关管和续流二极管的承受范围内，所以去掉了直流正母线上的软启动回路，从而进一步缩小了整体体积。经上述方法设计后，200kW 四象限变频器主回路结构已设计完成，满足了重载运煤车变频牵引外形尺寸要求。

1.2 控制电路设计

控制电路的设计方案继续沿用高功率密度的设计理念，在传统四象限变频器的基础上，删减了三相电压相位检测电路、三相锁相环电路和充电电路的控制回路，使得控制回路精简高效。

硬件电路完全模块化设计，分为主控板、整流侧驱动板、逆变侧驱动板、整流侧电流检测板、逆变侧电流检测板、IGBT 保护板和底板温度检测等。 其中主控板电路包括电源回路、 通讯接口电路、IGBT 控制电路和信号采集电路等； 其中整流侧驱动板和逆变侧驱动板除了具备IGBT 控制触发功能外，还在PCB 背面整合了三相电压检测及母线电压检测电路， 而且整流侧驱动板和逆变侧驱动板设计完全一样，可以实现功能互换；其中IGBT 保护板是焊接在IGBT 上的，6 个IGBT 及其保护板都是一样的；整流侧电流检测板和逆变侧电流检测板的PCB 设计及电流传感器型号也是完全一致的， 这样的设计非常便于生产、维修及后期产品系列化后的重新布局。

主控芯片不变， 增强了控制电路与主电路之间的隔离设计，从而提高了控制回路的抗干扰能力，增强了系统的稳定性。 IGBT 选用英飞凌FF400R33KF2C 模块，驱动电路是基于Power Integrations 公司的2SD315-AI 模块设计的，该驱动模块自带短路和过流保护功能，保证了大功率驱动下的高性能和高可靠性。

图2 为系统整体设计框架。 采用CAN 通讯控制，程序内置三种驱动控制算法， 分别为速度开环V/F 控制算法、速度闭环矢量控制算法和速度闭环转矩控制算法，根据实际工况通过CAN 通讯方式自由设置相应控制模式。要求电机是防爆变频电机， 且必须内置增量式转速编码器以实现速度反馈， 同时内置温控开关和PT100 以更好的保护电机。

图2 系统整体设计框架

2 叠层母排设计

该牵引变频器除了采用精准矢量变频调速技术实现驱动电机转速和转矩的准确控制之外，在矿用变频器的整体设计上进一步追求结构的简化、性能的稳定。为此，引用了低电感的叠层母排技术， 为功率模块提供结构清晰、安装快速、装配简洁的连接部件，保障矿用变频器运行的安全性、可靠性、稳定性。 叠层母排被广泛应用于电控系统，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。

防爆变频器功率单元主回路输入为三相交流电，通过IGBT 整流，直流输出，然后再经过逆变单元IGBT 逆变交流输出，达到变频效果的。 如通过导线进行搭接，会导致电控箱内走线混乱，电磁干扰严重，系统无法实现稳定可靠运行， 因此常用母排作为直流支撑电容与功率模块的连接部件。 传统母排在承受大电流的同时也有着占用空间大的弊端，在牵引变频器狭窄的空间下不可取，因此选用叠层母排连接内部电路。 叠层母排直接将电源进线、三相交流输入极、三相交流输出极通过合理的结构、完美的折弯压合成一个整体，走线简化明了，接线方便，最主要的是在保证供电安全稳定可靠的基础上极大地简化了内部导体连接，使得控制箱内部走线整洁，即使空间狭窄也有条不紊，电气连接可靠，方便维护检修。 叠层母排结构如图3 所示。

图3 叠层母排结构

叠层母排的优势在于：一是将连接线做成了扁平的截面，在同样的电流截面下增大了导电层的表面积，同时导电层之间的间隔大幅度降低，由于邻近效应使得相邻导电层流过相反的电流，他们产生的磁场相互抵消， 从而使得线路中的分布电感大幅降低，有效抑制了尖峰电压。二是其超薄扁平的设计风格，既节省了安装空间，增大了散热面积，又提供了极低的电阻，实现了大功率低温升的效果，让回路损耗降低至最低，以更低的电压降提升了载流能力。三是简洁紧凑的外形特征，采用成熟的制作工艺一次性粘合成型，极大地降低了生产安装成本，接线便捷，易维护。 四是有效降低系统噪音、电磁干扰、射频干扰，提高了系统的可靠性与安全性。五是结构设计集成度高，方便产品的系列化和模块化。

3 功率单元散热设计

煤机设备牵引电机一般在100kW 以下， 多为三相异步电机，驱动变频器所用IGBT 集成反并联二极管，变频器的三个半桥相位驱动逆变器的相应相线圈，以提供正弦电流波形，随后使电机运行。在IGBT 模块不停开通关断过程中，开关损耗和通态损耗将产生大量的热量，使得温升上升，因此，在设计、选型和使用IGBT 模块时，应当合理配置电流和电压等参数，以尽量减少发热问题的出现。

牵引变频器是重载运煤车的核心控制单元， 由于设计的功率密度远远超出了正常产品的设计范围， 高功率密度势必带来温度的集聚升高， 因此其散热设计是设备稳定运行的关键环节。针对交流变频器功率单元，先对功率器件的通态损耗和开关损耗进行理论计算， 考虑温度对各种损耗的影响， 然后采用最小流量和散热容量相互校验的水冷散热系统设计方法设计重载运煤车用变频器功率器件的水冷散热系统。众所周知，散热效果与压力损失、散热器的结构模型、导热材料的换热性能息息相关，要想取得良好的散热效果，需减小压力损耗，提高热交换性能，优化散热结构。 为此，设计过程中合理的取值流道长度、宽度、高度和布置流道数量，拐弯直角均采用光滑的弧角，有效减小沿程损失、局部损失。选择密度小，导热系数适中，比热容较高的铝合金为变频器底板，但考虑到防爆壳体中铝不能外露的要求， 防爆壳体水冷散热器部分采用的是黄铜材质，纯水作为冷却介质，取得了较好的散热效果。 散热器结构如图4 所示。

图4 散热器结构

4 结束语

通过对重载运煤车的整体设计结构、牵引电机功率、 电控系统预留空间、 冷却条件等现状进行了深入研究分析后， 提出了采用高效散热技术及高功率IGBT 的方法提高变频器的整体功率密度，满足重载运煤车牵引性能要求的方案，最终实现设计。叠层母排的应用，提供了现代化的接线方式，设计规范，加工工艺成熟，易于实现，保证了系统的稳定运行。 该牵引变频器已用于重载运煤车上， 其带载性能、保护性能均达到了设计要求，运行可靠。