提高礦用中壓變頻器硬件可靠性方法的分析和研究

楊超　王建才

摘 要：為了切實(shí)提高礦用變頻器的可靠性，本文分析了浪涌電流諧波、短路以及溫度等變頻器中硬件損壞的原因，在優(yōu)化變頻器的基礎(chǔ)上，改善其穩(wěn)定性，促進(jìn)正常運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：礦用;中壓變頻器;硬件可靠性

前言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，煤礦變頻調(diào)速技術(shù)也具備高精度控制、節(jié)能等優(yōu)勢。但實(shí)際使用期間，變頻器極易出現(xiàn)故障問題，為了提高硬件運(yùn)行可靠性，本文分析了變頻器輸入環(huán)節(jié)至輸出環(huán)節(jié)故障原因，提出了提高可靠性的方法，以期為此后礦用中壓變頻器的合理利用提供更多借鑒依據(jù)。

1.礦用中壓變頻器故障原因

一是浪涌電流與諧波，當(dāng)電網(wǎng)浪涌電流較大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)三相電壓不平衡問題，電容濾波產(chǎn)生的尖脈沖電流會(huì)嚴(yán)重沖擊整流模塊，降低了其使用壽命。二是分布電感與分布電容，雜散分布電感與分布電容中分布較多直流母線，在IGBT開通關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的電荷變化量，以致電容產(chǎn)生較大的放電與充電電流，瞬間過電壓與過電流沖擊會(huì)直接損壞IGBT。除此之外，逆變側(cè)布線不當(dāng)或負(fù)載電纜過長均會(huì)產(chǎn)生分布電容，出現(xiàn)對地漏電流，且電壓波形會(huì)出現(xiàn)尖峰電流，嚴(yán)重沖擊IGBT，使其損壞。三是溫度，工作期間變頻器會(huì)出現(xiàn)功率損耗問題，通過集中熱形式表現(xiàn)。礦用變頻器安裝空間較小，大量散熱會(huì)急劇升高變頻器溫度，損壞零部件功能。且半導(dǎo)體比較敏感溫度，會(huì)改變兩個(gè)IGBT開通與關(guān)斷時(shí)間，當(dāng)超過極限值時(shí)，輸出波形改變，會(huì)直接損壞同一橋臂的IGBT。四是短路，電纜絕緣失效會(huì)直接導(dǎo)致短路負(fù)載問題，直接損壞變頻器，無法起到保護(hù)作用。且在較大短路電流下，IGBT關(guān)斷速度較快，很容易引起電壓尖峰，損壞IGBT。五是剛性連接，變頻器較常應(yīng)用至采煤機(jī)，工作期間會(huì)受到嚴(yán)重的振動(dòng)沖擊，直流母線連接IGBT接線端子過于剛硬，在機(jī)械振動(dòng)下，IGBT一定會(huì)受到損傷[1]。

2.提高中壓變頻器可靠性方法

2.1改造網(wǎng)側(cè)電路

一是增加隔離變壓器，直接過濾變壓器輸入端電源電壓，為用電設(shè)備提供純凈電壓。隔離變壓器次級不連接大地，大地與兩線之間不存在電位差，人接觸時(shí)不會(huì)出現(xiàn)觸電問題。二是增加輸入電抗器，在降低輸入高次諧波與瞬變電壓的前提下，抑制電網(wǎng)側(cè)高頻浪涌電壓與浪涌電流，保證電網(wǎng)、浪涌電流以及諧波電流的平衡性，充分保護(hù)變頻器。同時(shí)，增加電抗器還可以改變變頻器功率因數(shù)，提高電網(wǎng)質(zhì)量，抑制諧波電流的發(fā)生。三是增加諧波補(bǔ)償器與無功補(bǔ)償器，避免電網(wǎng)功力消耗問題，在合理控制電力系統(tǒng)無功功率的基礎(chǔ)上，提高電能質(zhì)量，保證用戶的功率因數(shù)，且是提高電力系統(tǒng)的抗干擾能力。具體而言，變頻器解決負(fù)序電流與諧波分量問題時(shí)，應(yīng)合理安裝有源濾波器、無功補(bǔ)償器。四是增加PWM整流器，不可控整流器結(jié)構(gòu)簡單，但網(wǎng)側(cè)不可安裝，因?yàn)橹C波會(huì)嚴(yán)重污染電網(wǎng)，無法保證電能回饋，電動(dòng)機(jī)不能在四象限運(yùn)行。因此應(yīng)合理增加PWM整流器，在確保電流正弦化的基礎(chǔ)上，杜絕污染電網(wǎng)。為了確保電機(jī)在四象限內(nèi)運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)制動(dòng)產(chǎn)生的多余能量應(yīng)回饋至電網(wǎng)，充分節(jié)約能源，保證PWM整流器處于可控運(yùn)行狀態(tài)，保證直流電壓的恒定性。當(dāng)能量回饋電流電壓圖時(shí)，電流與電壓相差180°時(shí)，PWM整流器可以實(shí)現(xiàn)能量回饋[2]。

2.2低雜散電感直流母線設(shè)計(jì)

礦用中壓變頻器應(yīng)采用低雜散電感直流母線設(shè)計(jì)模式，其運(yùn)行成本低、電感小且阻抗小，具備良好的熱特性與電磁兼容性能，應(yīng)用效果良好。此設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)主要疊放多層銅板，利用絕緣導(dǎo)熱材料制成的薄膜隔離層與層，粘連為功率器件與直流電容連接結(jié)構(gòu)。當(dāng)安裝條件允許時(shí)，每個(gè)橋臂應(yīng)單獨(dú)安裝電容，在減少雜散電感的基礎(chǔ)上，減小逆變模板的間距與包圍面積，采用電容并聯(lián)方式，在滿足雜散電感低要求的基礎(chǔ)上，滿足直流環(huán)節(jié)的電容需求。

2.3優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路

為了進(jìn)一步提高IGBT可靠性，保證較高的使用質(zhì)量，在改善變頻器時(shí)應(yīng)采用優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路方法，保證輸入合理的驅(qū)動(dòng)電流與功率，提供合適的驅(qū)動(dòng)信號，促使變頻器具備足夠的輸出電隔離能力。為了確保IGBT的正常運(yùn)行，工作人員應(yīng)根據(jù)變頻器IGBT運(yùn)行數(shù)據(jù)合理選擇呢驅(qū)動(dòng)電阻數(shù)值，一旦發(fā)現(xiàn)電路短路情況，迅速增加電極電流，保護(hù)電路監(jiān)測，及時(shí)關(guān)斷IGBT。當(dāng)保證固定的柵極關(guān)斷電阻，過電流與過電壓數(shù)值遠(yuǎn)高于工作狀態(tài)，會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷IGBT，為了避免損傷電壓，可以串聯(lián)額外電阻，采用優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路方式，在延長關(guān)斷時(shí)間的基礎(chǔ)上，提高柵極關(guān)斷電阻，避免影響過電流與過電壓，以便及時(shí)關(guān)斷IGBT。

2.4改善IGBT散熱情況

為了進(jìn)一步優(yōu)化通路分配電阻，工作人員應(yīng)合理設(shè)計(jì)IGBT散熱通路，根據(jù)熱流密度情況選擇合理的散熱方式，做好水泵、風(fēng)機(jī)的選型工作，科學(xué)涂抹導(dǎo)熱硅脂，不斷優(yōu)化水路與風(fēng)道設(shè)計(jì)模式。在涂抹導(dǎo)熱硅脂時(shí)，應(yīng)保證科學(xué)性與可行性，將導(dǎo)熱硅脂填充至散熱器基板安裝面與IGBT之間，在降低散熱器基板與零器件熱阻值的前提下，確保兩者接觸良好，實(shí)現(xiàn)均勻散熱效果。但需要注意的是，比如注重正確涂抹導(dǎo)熱硅脂，以硬滾筒刷涂抹方式效果一般，需要較多的硅脂量。而絲網(wǎng)印刷需要較小的硅脂量，具備良好的導(dǎo)熱效果，且使用硅脂量較少，因此較常采用絲網(wǎng)印刷方法[3]。

2.5改進(jìn)連接模式

IGBT剛性連接會(huì)因振動(dòng)沖擊導(dǎo)致接線端出現(xiàn)機(jī)械損傷問題，因此應(yīng)改變接線端子結(jié)構(gòu)，利用柔線連接方法，杜絕損傷接線端，并充分釋放機(jī)械應(yīng)力。比如可以在接線端開度寬度為1mm的槽，相鄰槽間距保持為三分之一端子寬度，為了降低機(jī)械沖擊程度，還可以合理采用軟線連接方法[4]。

2.6控制板與IGBT通訊抗干擾措施

以往在強(qiáng)化變頻器抗干擾性能方面，通常采用屏蔽電纜方法，但這種方法運(yùn)行成本較高。而利用光纖則可以保證控制板與IGBT的隔離，在強(qiáng)化干擾性能的基礎(chǔ)上，保證高水平的通訊質(zhì)量。

結(jié)束語

在提高礦用變頻器硬件可靠性方面，相關(guān)工作人員應(yīng)在保證其性能的基礎(chǔ)上，合理采用抗干擾、抗振動(dòng)以及散熱等先進(jìn)技術(shù)，優(yōu)化變頻器細(xì)節(jié)，改進(jìn)連接模式，從而切實(shí)提高變頻器的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

[1]王亮.煤礦機(jī)電設(shè)備中高壓變頻器的應(yīng)用與選型[J].科技傳播，2014，0（21）：119.

[2]雷偉強(qiáng).中壓變頻器的維護(hù)及故障處理分析[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2017，（4）：62，116.

[3]郭亞存.中壓變頻器在煤礦主扇風(fēng)機(jī)節(jié)能改造中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2016，（12）：158，160.

[4]白明.船舶中壓變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其諧波抑制技術(shù)[J].廣州航海高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2013，（1）：1-3.

作者簡介：

楊超（1979.4-），男，碩士，副教授，現(xiàn)工作于黑龍江工業(yè)學(xué)院，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化

王建才（1979.9-），男，碩士，工程師，現(xiàn)工作于黑龍江科技大學(xué)，研究方向：計(jì)算機(jī)控制