一体式变频电机的叠层母线设计

收稿日期：2009年9月28日.基金项目：辽宁省教育厅创新团队项目矿用高压大功率一体化变频电机研制(2007T123)作者简介：白保东(1955-)，男，辽宁省丹东市人，教授，博士生导师，主要研究方向为工程电磁场、电磁污染与电磁兼容、电气装备CAD．文章编号：(编辑给出)隔爆一体式变频电机的层叠母线设计白保东，陈晨，张士军，何惠明(沈阳工业大学特种电机与高压电器省部共建重点实验室，辽宁省沈阳市110178)摘要：在对矿用变频器样机的研制与安装过程中,发现一体化电机系统中变频器内部电磁干扰不能有效地被屏蔽,为了减小电磁干扰,针对隔爆一体式变频电机驱动控制系统安装空间狭小的特点,从电磁兼容、低感母线、机械强度等角度,采取层叠母线设计方案,即把多层薄铜板与绝缘板热压成一体,在端子引出点把所需的铜排引出以构成层叠母线结构.分别通过工程计算和软件仿真证明该母线可有效地减小功率母线对电机驱动器空间电磁干扰,有利于降低功率模块在开关过程中的过电压,从而保障系统运行的安全可靠.关键词：煤矿机械；隔爆电机；虚拟样机；浪涌电压；电磁兼容；一体化电机；矿用变频器；层叠母线中图分类号：TD614TM357文献标识码：ATheDesignofTerraceGeneratrixinFlame-proofIntegrativeMotorBaiBaodong,ChenChen,ZhangShijun,HeiHuiming（SpecialElectricMachinesandHighVoltageApparatusKeyLabofNationalEducationMinistryandLiaoningProvince,ShenyangUniversityofTechnology,110178,ShenyangCity,LiaoningProvince,China）Abstract：Duringthemanufactureandinstallationofmine-usedconverterprototype,theEMI(ElectromagneticInterference)ofconvertercannotbeshieldedeffectively.InordertoreducetheEMI,basedonthecompactvolumeoftheintegrativemine-usedmotordriver,theterracegeneratrix,whichishot-pressedbycopperplatesandinsulatedplates,isdesignedfromviewofmechanismintensity,lowstrayinductancebusbar,andEMC(ElectromagneticCompatibility),theleading-outterminalsofterracegeneratrixiseducedbybrasswires.Theconclusionisthattheterracegeneratrixispropitioustoreducethepowergeneratrixparasiticalreduction,decreasetheadditionalhighvoltageduringtheswitchingprocess,cutdowntheelectricinterferenceinthemotordriverandensurethesystemsafeoperation，whichisprovedbyengineeringcalculationandcomputersimulationrespectively.Keywords：CoalMiningMachinery；Flame-proofMachine；VirtualPrototyping；Surge；ElectromagneticCompatibility；IntegrativeMotor；Mine-usedConverter；TerraceGeneratrix伴随对较好煤层的强力开采，很多地区的煤层群里都面临着薄煤层和极薄煤层的开采问题[1].纵观我国国有煤矿，统配的86个矿务局的586个煤矿中有80个局455个煤矿存在薄或超薄煤层，地方煤炭管理局的小型矿井存在薄煤层的比例更大.我国薄煤层资源虽分布广、煤质好，但薄煤层机械化开采存在工作条件差、开采空间小的特殊问题而受到政策、技术的制约，而制造大功率、高强度、矮机身综采设备的一个重要前提就是要有结构紧凑、性能优良的防爆电机.隔爆一体式变频电机把电机本体和变频器安装在一个防爆机壳中，为用户提供一个完备的动力系统，更好地满足了薄煤层采煤机的制造要求。与通用变频器的设计有所不同，一体化电机变频调速系统电气结构设计的主要矛盾在于如何在狭小的安装空间内合理安排器件，要在满足机械强度、电磁兼容、安全可靠的基础上，结构体积越小越好的问题[2]．在样机研制过程中，如图1所示电路，发现采取铜排连接主电路，结构松散，连线长、寄生电感大，电磁干扰大．图1采用铜排连接的主电路基本结构Fig.1MainCircuitConnectedbyCopperTiers1□对主要矛盾的分析变换器主电路在空间产生的磁感强度随输入、输出母线中通过电流的强弱而变化，功率母线是该系统电磁干扰的耦合路径[3]．如图2所示，在直流母线上产生的磁场，很容易耦合到功率模块的栅极驱动端上，从而对控制电路造成干扰．如何有效地切断功率母线对控制电路的干扰路径就成为功率模块电磁兼容设计的主要矛盾．图2逆变模块的功率母线Fig.2PowerGeneratrixofContravariantModule直流母线中产生的磁场大部分不能被有效地屏蔽．削弱这种干扰的有效手段只能是改变母线结构，即采取层叠母线技术[4]．2□层叠母线结构设计把多层又薄又宽的铜片层叠在在一起，极间用薄的耐高压耐高温高绝缘强度的材料热压成一体在端子引出点把所需的铜排引出,以构成一个均匀的整体[3]．采用层叠母线，可有效降低寄生电感,减轻功率模块开关过程中的尖峰电压对功率器件产生的过冲压力，也降低了功率母线对电机驱动器的空间电磁干扰[5]．图3极板的结构Fig.3TheDimensionsofPlanks图4层叠母线结构爆炸图Fig.4TheExplosiveDrawingofTerraceGeneratrix按照FF200R33KF2C的产品样本中的尺寸对层叠母线进行设计，在母线的连接处向与IGBT的方向设置凸台，旨在使母线与IGBT连接处之面积尽量大，以消除二者连接处之局部过热问题．在绝缘板上添加相应厚度的凸台，与极板上的凸台构成适度的过盈配合．目的是为了克服处理局部放电，以保证安全可靠．如图3所示，在极板凸台上加工m5螺纹孔，在绝缘板上加工通孔，以螺纹连接方式安装．图4为层叠母线结构爆炸图．母线板采用2T紫铜冷轧薄板．绝缘板采用聚四氟乙烯板材．图5平行放置的两个极板Fig.5TwoPlanksLaidinParallel3□对空间电磁干扰的削弱程度基于电磁场理论，在相同截面尺寸下，导线越薄越宽，其寄生电感就越小，若上下平行放置两层导线，流过相反的电流，则其磁场相互抵消．当平行放置的两个极板中流过两个大小相同、方向相反的电流时，根据比奥－萨伐尔定律，空间任意一点Ａ的合成B的幅值[6]为cos22212121210llllllIB(1)其中，I为极板中的电流1l为正极板几何中心点到空间某点的距离；2l为负极板几何中心点到空间某点的距离；为空间某点到两极板中心点的连线的夹角．由式(1)，当电流I一定时，欲使空间某点的电磁干扰尽可能小，应使正负母线的中心距cos2212121llll尽可能小．mH10470，所以721102llIB(2)依据(2)式，分别就铜排连接和层叠母线连接两种情况，假设母线中流过60A的电流，对中间IGBT模块栅极驱动端1G、2G接口圆心点上的磁感强度B进行计算．结果如下：铜排时，T1067.15.36691060352441gB铜T1009.12.475.811060352442gB铜层叠母线时，T101.7595.57106022641gB叠T108.56662106022642gB叠同理，在AnsoftMaxwell中取层叠母线的中间截面建立模型，其磁感强度分布如图6，在栅极驱动端位置的磁感强度B在T1067.45到T102.312之间．而从铜排的磁感应强度分布（如图7）中，在栅极驱动端位置的磁感强度B在T1029.14到T1056.24之间．从磁场强度分布情况来看，铜排外部的磁场分散且较大，层叠母线产生的磁场主要集中在两极板之间．这是因为两极板电流方向相反而使磁场相叠加的结果．层叠母线是以增大两极板内部磁场为代价，换来外部磁场的减小．下面就磁场相叠加的区域讨论，其结果是层叠母线磁场强度依然要远远小于铜排磁场。如图10、11，两铜排相距20mm之间的磁场强度在T003.0到T0015.0之间变化，层叠母线两极板相距mm2~1（仿真取mm5.1），两极板之间的磁场在T0012.0左右。图6层叠母线的磁感应强度Fig.6MagneticInductionofTerranceGeneratrix图7铜排的磁感应强度Fig.7MagneticInductionofCopperTiers图8层叠母线的磁力线分布Fig.8MagnetogramofTerranceGeneratrix图9铜排的磁力线分布Fig.9MagnetogramofCopperTiers图10铜排之间的磁感应强度Fig.10MagneticInductionBetweenCopperTiers图11层叠母线之间的磁感应强度Fig.11MagneticInductionBetweenTerranceGeneratrix4□对功率母线寄生电感的估算采取铜排连接的最大弊端就是寄生电感大，导致浪涌电压大，IGBT开关过程中的浪涌过压实质上就是一个杂散电感谐振放能的过程[7]，所以从电磁兼容角度上看,要尽量缩短IGBT与滤波电容之间的距离来降低功率电路的寄生电感，从而从根本上降低浪涌过压[8]．在装配中尽量缩短滤波到逆变模块之间直流母线的距离，但即使再缩小，也有约1m长的铜排，这种3×15的铜排工程上按照每1mm的分布电感是1nH，并以集总参数电路处理．引线长度约1m，对应杂散电感1000nH．叠成功率母线的电感L为[9]210021ln212tan212baabbalblwL(3)其中，l为母线长度；b为母线宽度；w为母线厚度；a为两极板之间的距离；0为极板的磁导率．依(3)式，本设计中层叠母线的寄生电感sL为：nH2.76621ln21)266(tan662103451046612103451104213737sL可见，层叠母线可极大地降低连线的寄生电感，大大降低逆变模块开断时产生的浪涌电压．并且层叠母线增加了电容从而导致特征阻抗的减低．有利于提高高频时的电容容量，减小电压纹波．增加电容和减少电感是削除噪音的决定因素．5□机械强度校核由于层叠母线两个铜片厚度mm1，运行中受到正负极板之间的电动斥力作用．在铜箔边缘其屈服限度能否满足设计要求是一个问题．因此需要对其机械强度进行校核．图12两矩形截面无限长平行导线Fig.12TwoInfinityRectangleSectionConductors有两矩形截面无限长平行导体（如图12），厚度为x，宽度为y，截面重心间距离为c，其中通有电流1I、2I，因两导体对称布置，y方向的分力为零，只剩下x方向的分力．则l长导体所受电动力为[1