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        礦用2000kW中壓大功率變頻器的研究與設(shè)計(jì)

        2018-11-06 10:28:18李峻光
        中小企業(yè)管理與科技 2018年21期
        關(guān)鍵詞:礦用二極管選型

        李峻光

        (兗州煤業(yè)設(shè)備管理中心,山東 鄒城 273599)

        1 引言

        中國是煤炭產(chǎn)量大國,全國礦井?dāng)?shù)量驚人,隨著礦井大力推廣節(jié)能降耗,礦用變頻器在其中發(fā)揮了重要的作用,礦用變頻器在煤礦的使用也有數(shù)十年之久,隨著技術(shù)的積累各項(xiàng)性能指標(biāo)也得到了很大的提高[1-2]。

        2 變頻器主回路的基本組成

        變頻器先有工頻交流電源經(jīng)二極管整流,中間有DCLink電容濾波,最后再由IGBT器件將直流逆變成近似正弦的交流電路。

        2.1 整流單元

        近幾年來圖1所示的大功率二極管被廣泛應(yīng)用于變頻器整流部分,電網(wǎng)電源經(jīng)過整流成為直流電源。圖1所示的整流單元是6脈波整流裝置,整流完后直流部分諧波含量巨大,想要降低整流單元對(duì)電網(wǎng)的諧波電壓,我們采用移相變壓器生成相位互差30度兩組電源供給整流單元,直流電壓更加穩(wěn)定,電網(wǎng)諧波含量可以大大降低。

        2.2 濾波單元(能量交換)

        由于交流電源整流完是脈動(dòng)的直流電壓,含有的脈動(dòng)電壓尖峰是電源頻率幾倍以上,再加上逆變IGBT開通關(guān)斷產(chǎn)生的電流脈動(dòng)使得直流電壓波動(dòng)幅度較大。為了消除電壓尖峰和抑制這些電壓波動(dòng),采用高頻吸收電容和DCLink電容器來吸收。

        2.3 IGBT逆變單元

        采用進(jìn)口IGBT功率單元組成三電平結(jié)構(gòu)如圖2,驅(qū)動(dòng)部分采用光纖傳送信號(hào),由上位控制核心發(fā)送SPWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)IGBT在一定頻率內(nèi)開通和關(guān)斷,將直流電源變成近似正弦的交流電源。

        3 2000 kW變頻器主回路的選型

        3.1 大功率二極管的選型

        ①確定電壓額定值VRRM

        由于在井下供電電網(wǎng)中常存在電壓波動(dòng)、重型設(shè)備停機(jī)時(shí)的峰值等因素,在計(jì)算大功率二極管的承受電壓時(shí),取波動(dòng)系數(shù)為A=1.1,安全系數(shù)K=2。按式(1)確定。

        式中,VAC是進(jìn)線電壓值(VAC=1700V)時(shí)

        VAC是進(jìn)線電壓值(VAC=3300V)時(shí)

        ②確定電流額定值IF

        大功率二極管額定電流按式(2)確定,取波動(dòng)系數(shù)為A=1.1,安全系數(shù)K=2

        式中,IC為變頻器額定電流值(IC=400A)

        ③選擇二極管型號(hào)

        按照以上計(jì)算所得結(jié)果,最后確定選擇Infineon公司的DD600S65KL3_B5,主要性能參數(shù)如下:VRRM=6500V,IF=2×600A。將此二極管串聯(lián)來提高耐壓到13000V,內(nèi)部并聯(lián)電流增加至1200A來使用。

        3.2 IGBT功率模塊的選型

        三電平逆變器主要由HVIGBT構(gòu)成,作用是在規(guī)定的時(shí)間里按照SPWM波輸出使十二個(gè)HVIGBT功率開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷,將直流變換為所需電壓和頻率的交流。

        ①確定IGBT電壓額定值UC

        由于整流二級(jí)管是直接與供電電源相連,進(jìn)線電源容易受到外界各方面的干擾。IGBT是安裝在逆變單元上,它的發(fā)射極或集電極是與DCLink電容相聯(lián),該電容能夠緩沖電網(wǎng)波動(dòng)和雜波干擾的作用,因此,二極管選擇的安全系數(shù)比IGBT的安全系數(shù)大?,F(xiàn)移動(dòng)變壓器低壓側(cè)電壓為2×1700V或3300V,慮波后的直流電壓Vr由式(3)求得,式中波動(dòng)系數(shù)A為1.1,取安全系數(shù)K=1.1

        IGBT關(guān)斷時(shí)的尖峰電壓按(4)計(jì)算

        式中,過電壓的保護(hù)系數(shù)為B=1.15,150為由雜散電感引起的尖峰電壓,K=1.1為安全系數(shù)。

        令VCEP≥0.5VC,參考IGBT的實(shí)際型號(hào)電壓等級(jí),因?yàn)槭侨娖酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)所以取VCEP=4500V。

        ②確定IGBT電流額定值IC

        因?yàn)橐苿?dòng)變電站的低壓側(cè)電壓Uin為2×1700或3300V,額定負(fù)載功率為2000kW,變頻器容量為2250KVA。

        式中,P為變頻器額定容量,0.9為移動(dòng)變電站電壓波動(dòng)系數(shù),1.5為允許5分鐘的過載倍數(shù),是Io的峰值,1.4是Ic的減小系數(shù),IGBT數(shù)據(jù)手冊(cè)給出的額定電流是在常溫25℃時(shí)的一個(gè)標(biāo)定值,實(shí)際工作時(shí),由于熱損耗,溫度要升高,Ic的額定容量會(huì)下降。由上式,可求出

        (25C時(shí))

        ③選擇IGBT型號(hào)

        根據(jù)以上公式計(jì)算及市場(chǎng)性價(jià)比所得,最后確定選擇Infineon公司的HVIGBT,型號(hào)為FF1200R45KF2C,因逆變單元為三電平結(jié)構(gòu),所以HVIGBT模塊的主要性能參數(shù)如下:VCES=4500V,Ic=1200A。

        3.3 濾波電容的選型

        等效濾波電容的阻值R如下,V為直流回路的平均電壓,P為直流回路的額定功率

        對(duì)于三相全波不可控整流電路,其輸出的電壓平均值為

        式中,Vj為線電壓有效值

        所以 Vd=1.35Vj=1.35×3300=4455V

        在變頻器處于過載和欠壓的情況下,將V=1.2Vd,P=1.2P',其中P=2000kW為變頻器額定輸出功率,所以

        經(jīng)過整流橋整流后的直流頻率f(單相全波整流f=50Hz,三相全波整流

        f=150Hz給出濾波電容估算式,(4~6)/C=T/RL。其中,T=1/f,所以

        中間直流回路的支撐電容容量越大越好,可以承受較強(qiáng)的負(fù)載能力,在該變頻器中采用3個(gè)2×2100UF/2800V的電容并聯(lián),從中間取中性點(diǎn),在中性點(diǎn)到直流正和中性點(diǎn)到直流負(fù)各并聯(lián)一個(gè)阻值相等的均壓電阻,這樣能夠在停機(jī)時(shí)將直流回路的電壓釋放掉。

        4 結(jié)語

        本文分析了礦用2000kW中壓變頻器的工作原理及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),器件選型計(jì)算,變頻器冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該變頻系統(tǒng)采用行業(yè)內(nèi)優(yōu)質(zhì)的器件,可靠的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和散熱好的冷卻系統(tǒng),使得該型變頻器做到業(yè)內(nèi)功率密度最大,體積小發(fā)熱量低,輸出波形好的礦用中壓變頻器。

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