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摘要：随着经济的发展，大型和中型煤矿使用的生产仪器的单机功率随之升高，使用6kV电压级的矿井数量也在增加。但是大功率变频器的使用还不普遍，尤其矿井作业需要使用到的高压防爆变频器依然不多。基于此，本文提出6kV高压防爆变频器设计，可供参考。
关键词：煤矿用；高压防爆；变频器设计
1电气拓扑结构设计研究
本文提出的高压防爆变频调速设备重点是由五个部分组成的。图1为主回路设计构造，设备的功率单元是通过级联形式相互连在一起的，能把高压元件换成低压元件，进而得到高压输出的效果，此级联形式让元器件间所出现的均压现象得到了更好的处理，也减少了购买元器件的费用。
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图1 6kV矿用防爆变频器系统拓扑结构图
1.1移相隔离变压器
移相隔离变压器副边绕组总计有15组，是给功率单元准备交流电的。变压器共有1400kVA容量，6kV输入电压。另外原边绕组的连接方式是三相星型，而副边绕组是以延边三角形形式连接（3x5组），并且其需要满足的条件是空载电压690V，容量是总的1/15。之所以选用延边三角形的连接方式，是为达到多重化，减少设备输入电流谐波含量。为了检测变压器的温度，更好地做好预防及管理，还提前向变压器里设置了3个温度感应器。
1.2功率单元设计
功率单元电路构造是1直流1交流的交流电。副边绕组给它的是AC690V电源，再由整流桥及滤波电容，输送到逆变电路。逆变电路选取4个IGBT构成H桥，这个IGBT耐压级别是1700Vo
1.3输出侧结构
三相星型接法是一种连接方法，用来把变频器输出侧连接在一起。每相有5个功率单元串连，用A相举例：功率单元A1输出口V与A2的U相连，A2的V再与A3的U相连，以此类推。最后第一个的U及第五个的V，同B、C相依据星型连接的方式给电机供电。选取此连接形式的优点是：如果有一个功率单元岀现问题，那么它就被旁路掉，仪器仍然能够正常进行工作。为了各功率单元间满足互相代替的条件，选取了一致性原则，这样对维修与调试来说更加便捷。为了获得比较近似于正弦波的波形，控制单元把15个PWM波形进行了重新组合。此波形dV/dt微弱，降低了给电缆及电机造成的伤害。
2系统硬件设计研究
图2为系统硬件图，关键部分是主控板、触摸屏、电源板等。
DSP与FPGA这两个性能比较高的芯片是系统的核心控制器，两者间选取DMA技术进行数据传递。DSP完成了装置的控制算法，选择载波移相和SPWM算法，把控制信号算出来再传输到FPGA，FPGA获取到数据后，就会生成相应的信号，这个信号用来控制IGBT，再由FPGA经光纤把信号运输到驱动板，等它接到了IGBT控制信号之后，再进行处理进而形成输出波形。
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图2 系统硬件图
3散热系统设计研究
变频器水冷散热系统简称散热系统，其主要作用就是让IGBT和移相变压器散热。IGBT的性能影响着变频器的温升，而温度对IGBT的性能又起着较大的作用，所以，散热系统正常与否影响着变频器的安全可靠性。此次选取的散热技术主要是内外水通过板式换热器交换热量，由外水自然散热，内外水互相隔离，保证了隔爆性能，冷却介质由主循环泵升压后流经板式换热器，得到冷却后进入功率器件将热量带出，再回到主循环泵，密闭式往复循环。循环管路设有缓冲罐作为稳压吸收装置，为系统保持恒压并能吸收系统中冷却介质的体积变化，从而保证整个系统的正常运行。
4防爆壳体设计研究
设计壳体的时候，选取Solidworks程序做三维及模拟仿真设计，最后得到的防爆壳体符合设计条件。壳体由左到右分别是变压器腔、功率单元腔、水冷系统腔、控制单元腔。除功率单元腔外，以上的腔选取的是一体化设计，意思就是把所有的腔设成整个的防爆壳体，一方面杜绝各腔分体引起的电缆连接现象；另一方面设备体积有所下降，方便了设备煤矿井下输送。而功率单元腔选取的则是模块化，意思就是在构思绝缘框架过程中计划着能把单元抽出，让功率单元都能单独被拆掉，方便维护维修，减少维修费用。
5测试分析
5.1功率单元测试
一般的功率单元驱动板都会设作为检测的端子，给输入端连AC690V电源，选取AC220V作为供电电源连至端子上，把输出端连示波器检测传输波形。
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图3 矿用隔爆高压变频器
5.2整机输出测试
设计结束后样机制作也成功，样机具体如图3，4080mmX 1400mmX1800mm （长X宽X高）。
该种变频器的长4048mm、宽1400mm、髙1800mm，釆用的是空水交换冷却方式，用空气来冷却机芯，用水来冷却柜体，借助空水交换器把热量传递到柜外，在试验过程中，选取电能质量分析仪，检测装置输入电压、电流等，而装置的输出电压和电流则选取示波器来检测。
6结束语
此装置设备传输的正弦波形比较好，可减少谐波含量。此装置设备结构合理、性能也较稳定，有较好的应用前景。
参考文献
[1]麺建国.防爆变频器在煤矿井下胶带输送机上的应用[J].当代化工研究，2019.
[2]王健，程明锋，杨文辉，等.中低压防爆变频器功率单元热分析[J].矿山机械，2019.