矿用2000kW中压大功率变频器的研究与设计

李峻光

（兖州煤业设备管理中心，山东 邹城 273599）

1 引言

中国是煤炭产量大国，全国矿井数量惊人，随着矿井大力推广节能降耗，矿用变频器在其中发挥了重要的作用，矿用变频器在煤矿的使用也有数十年之久，随着技术的积累各项性能指标也得到了很大的提高[1-2]。

2 变频器主回路的基本组成

变频器先有工频交流电源经二极管整流，中间有DCLink电容滤波，最后再由IGBT器件将直流逆变成近似正弦的交流电路。

2.1 整流单元

近几年来图1所示的大功率二极管被广泛应用于变频器整流部分，电网电源经过整流成为直流电源。图1所示的整流单元是6脉波整流装置，整流完后直流部分谐波含量巨大，想要降低整流单元对电网的谐波电压，我们采用移相变压器生成相位互差30度两组电源供给整流单元，直流电压更加稳定，电网谐波含量可以大大降低。

2.2 滤波单元（能量交换）

由于交流电源整流完是脉动的直流电压，含有的脉动电压尖峰是电源频率几倍以上，再加上逆变IGBT开通关断产生的电流脉动使得直流电压波动幅度较大。为了消除电压尖峰和抑制这些电压波动，采用高频吸收电容和DCLink电容器来吸收。

2.3 IGBT逆变单元

采用进口IGBT功率单元组成三电平结构如图2，驱动部分采用光纤传送信号，由上位控制核心发送SPWM信号驱动IGBT在一定频率内开通和关断，将直流电源变成近似正弦的交流电源。

3 2000 kW变频器主回路的选型

3.1 大功率二极管的选型

①确定电压额定值VRRM

由于在井下供电电网中常存在电压波动、重型设备停机时的峰值等因素，在计算大功率二极管的承受电压时，取波动系数为A=1.1，安全系数K=2。按式(1)确定。

式中，VAC是进线电压值(VAC=1700V)时

VAC是进线电压值(VAC=3300V)时

②确定电流额定值IF

大功率二极管额定电流按式(2)确定，取波动系数为A=1.1，安全系数K=2

式中，IC为变频器额定电流值（IC=400A）

③选择二极管型号

按照以上计算所得结果，最后确定选择Infineon公司的DD600S65KL3_B5，主要性能参数如下：VRRM=6500V，IF=2×600A。将此二极管串联来提高耐压到13000V，内部并联电流增加至1200A来使用。

3.2 IGBT功率模块的选型

三电平逆变器主要由HVIGBT构成,作用是在规定的时间里按照SPWM波输出使十二个HVIGBT功率开关器件导通、关断，将直流变换为所需电压和频率的交流。

①确定IGBT电压额定值UC

由于整流二级管是直接与供电电源相连，进线电源容易受到外界各方面的干扰。IGBT是安装在逆变单元上，它的发射极或集电极是与DCLink电容相联，该电容能够缓冲电网波动和杂波干扰的作用，因此，二极管选择的安全系数比IGBT的安全系数大。现移动变压器低压侧电压为2×1700V或3300V，虑波后的直流电压Vr由式（3）求得，式中波动系数A为1.1，取安全系数K=1.1

IGBT关断时的尖峰电压按(4)计算

式中，过电压的保护系数为B=1.15，150为由杂散电感引起的尖峰电压，K=1.1为安全系数。

令VCEP≥0.5VC，参考IGBT的实际型号电压等级，因为是三电平拓扑结构所以取VCEP=4500V。

②确定IGBT电流额定值IC

因为移动变电站的低压侧电压Uin为2×1700或3300V，额定负载功率为2000kW，变频器容量为2250KVA。

式中，P为变频器额定容量，0.9为移动变电站电压波动系数，1.5为允许5分钟的过载倍数，是Io的峰值，1.4是Ic的减小系数，IGBT数据手册给出的额定电流是在常温25℃时的一个标定值，实际工作时，由于热损耗，温度要升高，Ic的额定容量会下降。由上式，可求出

(25C时)

③选择IGBT型号

根据以上公式计算及市场性价比所得，最后确定选择Infineon公司的HVIGBT，型号为FF1200R45KF2C，因逆变单元为三电平结构，所以HVIGBT模块的主要性能参数如下：VCES=4500V，Ic=1200A。

3.3 滤波电容的选型

等效滤波电容的阻值R如下，V为直流回路的平均电压，P为直流回路的额定功率

对于三相全波不可控整流电路，其输出的电压平均值为

式中，Vj为线电压有效值

所以 Vd=1.35Vj=1.35×3300=4455V

在变频器处于过载和欠压的情况下，将V=1.2Vd，P=1.2P'，其中P=2000kW为变频器额定输出功率，所以

经过整流桥整流后的直流频率f（单相全波整流f=50Hz，三相全波整流

f=150Hz给出滤波电容估算式，(4～6)/C=T/RL。其中，T=1/f，所以

中间直流回路的支撑电容容量越大越好，可以承受较强的负载能力，在该变频器中采用3个2×2100UF/2800V的电容并联，从中间取中性点，在中性点到直流正和中性点到直流负各并联一个阻值相等的均压电阻，这样能够在停机时将直流回路的电压释放掉。

4 结语

本文分析了矿用2000kW中压变频器的工作原理及拓扑结构，器件选型计算，变频器冷却结构设计。该变频系统采用行业内优质的器件，可靠的拓扑结构和散热好的冷却系统，使得该型变频器做到业内功率密度最大，体积小发热量低，输出波形好的矿用中压变频器。