提高矿用中压变频器硬件可靠性方法的分析和研究

杨超　王建才

摘 要：为了切实提高矿用变频器的可靠性，本文分析了浪涌电流谐波、短路以及温度等变频器中硬件损坏的原因，在优化变频器的基础上，改善其稳定性，促进正常运行。

关键词：矿用;中压变频器;硬件可靠性

前言

随着计算机技术与电力电子技术的快速发展，煤矿变频调速技术也具备高精度控制、节能等优势。但实际使用期间，变频器极易出现故障问题，为了提高硬件运行可靠性，本文分析了变頻器输入环节至输出环节故障原因，提出了提高可靠性的方法，以期为此后矿用中压变频器的合理利用提供更多借鉴依据。

1.矿用中压变频器故障原因

一是浪涌电流与谐波，当电网浪涌电流较大时，会出现三相电压不平衡问题，电容滤波产生的尖脉冲电流会严重冲击整流模块，降低了其使用寿命。二是分布电感与分布电容，杂散分布电感与分布电容中分布较多直流母线，在IGBT开通关断时会产生较大的电荷变化量，以致电容产生较大的放电与充电电流，瞬间过电压与过电流冲击会直接损坏IGBT。除此之外，逆变侧布线不当或负载电缆过长均会产生分布电容，出现对地漏电流，且电压波形会出现尖峰电流，严重冲击IGBT，使其损坏。三是温度，工作期间变频器会出现功率损耗问题，通过集中热形式表现。矿用变频器安装空间较小，大量散热会急剧升高变频器温度，损坏零部件功能。且半导体比较敏感温度，会改变两个IGBT开通与关断时间，当超过极限值时，输出波形改变，会直接损坏同一桥臂的IGBT。四是短路，电缆绝缘失效会直接导致短路负载问题，直接损坏变频器，无法起到保护作用。且在较大短路电流下，IGBT关断速度较快，很容易引起电压尖峰，损坏IGBT。五是刚性连接，变频器较常应用至采煤机，工作期间会受到严重的振动冲击，直流母线连接IGBT接线端子过于刚硬，在机械振动下，IGBT一定会受到损伤[1]。

2.提高中压变频器可靠性方法

2.1改造网侧电路

一是增加隔离变压器，直接过滤变压器输入端电源电压，为用电设备提供纯净电压。隔离变压器次级不连接大地，大地与两线之间不存在电位差，人接触时不会出现触电问题。二是增加输入电抗器，在降低输入高次谐波与瞬变电压的前提下，抑制电网侧高频浪涌电压与浪涌电流，保证电网、浪涌电流以及谐波电流的平衡性，充分保护变频器。同时，增加电抗器还可以改变变频器功率因数，提高电网质量，抑制谐波电流的发生。三是增加谐波补偿器与无功补偿器，避免电网功力消耗问题，在合理控制电力系统无功功率的基础上，提高电能质量，保证用户的功率因数，且是提高电力系统的抗干扰能力。具体而言，变频器解决负序电流与谐波分量问题时，应合理安装有源滤波器、无功补偿器。四是增加PWM整流器，不可控整流器结构简单，但网侧不可安装，因为谐波会严重污染电网，无法保证电能回馈，电动机不能在四象限运行。因此应合理增加PWM整流器，在确保电流正弦化的基础上，杜绝污染电网。为了确保电机在四象限内运行，电动机制动产生的多余能量应回馈至电网，充分节约能源，保证PWM整流器处于可控运行状态，保证直流电压的恒定性。当能量回馈电流电压图时，电流与电压相差180°时，PWM整流器可以实现能量回馈[2]。

2.2低杂散电感直流母线设计

矿用中压变频器应采用低杂散电感直流母线设计模式，其运行成本低、电感小且阻抗小，具备良好的热特性与电磁兼容性能，应用效果良好。此设计结构主要叠放多层铜板，利用绝缘导热材料制成的薄膜隔离层与层，粘连为功率器件与直流电容连接结构。当安装条件允许时，每个桥臂应单独安装电容，在减少杂散电感的基础上，减小逆变模板的间距与包围面积，采用电容并联方式，在满足杂散电感低要求的基础上，满足直流环节的电容需求。

2.3优化驱动电路

为了进一步提高IGBT可靠性，保证较高的使用质量，在改善变频器时应采用优化驱动电路方法，保证输入合理的驱动电流与功率，提供合适的驱动信号，促使变频器具备足够的输出电隔离能力。为了确保IGBT的正常运行，工作人员应根据变频器IGBT运行数据合理选择呢驱动电阻数值，一旦发现电路短路情况，迅速增加电极电流，保护电路监测，及时关断IGBT。当保证固定的栅极关断电阻，过电流与过电压数值远高于工作状态，会严重损伤IGBT，为了避免损伤电压，可以串联额外电阻，采用优化驱动电路方式，在延长关断时间的基础上，提高栅极关断电阻，避免影响过电流与过电压，以便及时关断IGBT。

2.4改善IGBT散热情况

为了进一步优化通路分配电阻，工作人员应合理设计IGBT散热通路，根据热流密度情况选择合理的散热方式，做好水泵、风机的选型工作，科学涂抹导热硅脂，不断优化水路与风道设计模式。在涂抹导热硅脂时，应保证科学性与可行性，将导热硅脂填充至散热器基板安装面与IGBT之间，在降低散热器基板与零器件热阻值的前提下，确保两者接触良好，实现均匀散热效果。但需要注意的是，比如注重正确涂抹导热硅脂，以硬滚筒刷涂抹方式效果一般，需要较多的硅脂量。而丝网印刷需要较小的硅脂量，具备良好的导热效果，且使用硅脂量较少，因此较常采用丝网印刷方法[3]。

2.5改进连接模式

IGBT刚性连接会因振动冲击导致接线端出现机械损伤问题，因此应改变接线端子结构，利用柔线连接方法，杜绝损伤接线端，并充分释放机械应力。比如可以在接线端开度宽度为1mm的槽，相邻槽间距保持为三分之一端子宽度，为了降低机械冲击程度，还可以合理采用软线连接方法[4]。

2.6控制板与IGBT通讯抗干扰措施

以往在强化变频器抗干扰性能方面，通常采用屏蔽电缆方法，但这种方法运行成本较高。而利用光纤则可以保证控制板与IGBT的隔离，在强化干扰性能的基础上，保证高水平的通讯质量。

结束语

在提高矿用变频器硬件可靠性方面，相关工作人员应在保证其性能的基础上，合理采用抗干扰、抗振动以及散热等先进技术，优化变频器细节，改进连接模式，从而切实提高变频器的稳定性。

参考文献

[1]王亮.煤矿机电设备中高压变频器的应用与选型[J].科技传播，2014，0（21）：119.

[2]雷伟强.中压变频器的维护及故障处理分析[J].中国新技术新产品，2017，（4）：62，116.

[3]郭亚存.中压变频器在煤矿主扇风机节能改造中的应用[J].现代矿业，2016，（12）：158，160.

[4]白明.船舶中压变频器的拓扑结构及其谐波抑制技术[J].广州航海高等专科学校学报，2013，（1）：1-3.

作者简介：

杨超（1979.4-），男，硕士，副教授，现工作于黑龙江工业学院，研究方向：电气工程及其自动化

王建才（1979.9-），男，硕士，工程师，现工作于黑龙江科技大学，研究方向：计算机控制