礦用隔爆高壓組合變頻器機芯以及變頻器的製作方法
2024-03-05 17:10:15
本發明涉及一種變頻器，具體涉及一種礦用隔爆高壓組合變頻器機芯集變頻器，屬於電氣控制結構部件技術領域。
背景技術：
變頻器是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅動單元、檢測單元微處理單元等組成，變頻器靠內部IGBT的開斷來調整輸出電源的電壓和頻率，根據電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節能、調速的目的；由於變頻技術的日益成熟，變頻技術在也深入到各行各業，但是市場上的變頻器普遍存在以下問題：傳統大功率刮板輸送機的驅動以調速型液力耦合器為主，可以實現軟啟動，但系統電路複雜，維護工作量大，維護成本高，且不可以長時間工作在低速模式下，在一定程度上限制了變頻器的發展和應用。因此，迫切的需要一種新的方案解決該技術問題。
技術實現要素：
本發明正是針對現有技術中存在的技術問題，提供一種礦用隔爆高壓組合變頻器機芯，該系統整體設計巧妙、結構更加緊湊，省去了調速型液力耦合器，採用直接對輪聯接，提高設備的機械效率。
為了實現上述目的，本發明的技術方案如下，一種礦用隔爆高壓組合變頻器機芯，其特徵在於，所述礦用隔爆高壓組合變頻器機芯包括一套整流器功率堆棧、三套逆變器功率堆棧以及一套水循環散熱系統，所述三套逆變器功率堆棧設置在整流器功率堆棧和水循環散熱系統之間。
作為本發明的一種改進，所述整流器功率堆棧包括功率單元、低壓控制單元、水-風換熱系統單元、直流側疊層無感母線以及機芯框架，所述功率單元直流側與直流側疊層無感母線連接，所述低壓控制單元為系統提供邏輯控制；所述水-風換熱系統單元為系統建立輔助散熱循環系統，所述功率單元、低壓控制單元、水-風換熱系統單元、直流側疊層無感母線安裝在機芯框架上；其中功率單元採用12脈波二極體整流橋串聯結構；所述功率單元內部安裝一塊水冷板，在水冷板兩側均布置二極體功率模塊，在功率模塊上安裝交流疊層母線，整流器功率堆棧12脈波二極體整流橋串聯結構功率單元交流側連接具有30°相位差的移相變壓器輸出的三相交流電壓，直流側疊層無感母線正、零、負三相通過母排連接逆變器功率堆棧內直流母線電壓濾波單元。
作為本發明的一種改進，所述功率單元、低壓控制單元、水-風換熱系統單元、直流側疊層無感母線通過螺栓、導軌等連接方式固定安裝在機芯框架相應位置。所述機芯框架採用C型材，所述水-風換熱系統單元與外部水循環系統連接，與逆變器堆棧組成具有整流、逆變功能的變頻器機芯時，經過風機循環量通過水-風換熱系統單元將內部除功率元器件外其他電子元器件散發的熱能置換到水循環系統帶出殼體外，為整個系統運行提供一個更穩定的工作環境；所述低壓控制單元由主控板、升壓板、變壓器、PLC以及繼電器組成，為整流器功率堆棧及整個變頻器系統提供穩定的工作電源及系統自動邏輯控制功能。
所述水-風換熱系統單元與外部水循環系統連接，與逆變器堆棧組成具有整流、逆變功能的變頻器機芯時，經過風機循環量通過水-風換熱系統單元將內部除功率元器件外其他電子元器件散發的熱能置換到水循環系統帶出殼體外，為整個系統運行提供一個更穩定的工作環境。
作為本發明的一種改進，所述逆變器功率堆棧包括三套功率單元、一套輸出濾波器單元、一套直流母線電壓濾波單元、一套低壓控制單元、一臺機芯框架、一組外部提供散熱循環系統的進出水管，其中：所述三套功率單元直流側與直流母線電壓濾波單元連接，交流側經輸出濾波器單元連接外部負載設備，所述低壓控制單元為系統提供邏輯控制，所述外部提供散熱循環系統的進出水管連接功率單元及輸出濾波器單元，所述三套功率單元、輸出濾波器單元、直流母線電壓濾波單元、低壓控制單元、外部提供散熱循環系統的進出水管安裝在機芯框架上。所述三套功率單元均布安裝在機芯框架前側，所述輸出濾波器單元安裝在機芯框架的下側，所述直流母線電壓濾波單元安裝在機芯框架後側，所述低壓控制單元安裝在機芯框架頂部，所述外部提供散熱循環系統的進出水管安裝在機芯框架前側下部位置，所述三套功率單元採用二極體箝位式三電平拓撲原理為基礎設計的單元結構；所述功率單元內部安裝一塊水冷板，在水冷板兩側均布四個IGBT、二個二極體功率模塊，在功率模塊上安裝交流疊層母線，下部交流側連接交流進出母線。
作為本發明的一種改進，所述三套功率單元交流疊層母線直流側直接與直流母線電壓濾波單元直流母線正、零、負端連接，減少二次連接等原因造成的電磁幹擾等不利因素；所述功率單元交流進出母線輸出側經過輸出濾波器單元連接外部負載提供安全、穩定、可控的交流輸出；所述三套功率單元、輸出濾波器單元、直流母線電壓濾波單元、低壓控制單元、外部提供散熱循環系統的進出水管通過螺栓、導軌連接方式固定安裝在機芯框架相應位置。所述水冷板為防水密封結構，外部水循環系統冷卻液經過水冷板與 IGBT、二極體功率器件進行熱交換達到功率器件散熱需求，所述直流母線電壓濾波單元由低電感直流疊層母線、電阻及電容組成，電容由多個電容並聯分成兩組分別連接在直流疊層母線正零、負零側；兩組電阻分別連接在直流疊層母線正零、負零側。
作為本發明的一種改進，所述水循環散熱系統包括機芯框架以及設置在機芯框架內部的水-水熱交換器、主循環水泵、膨脹氣囊、去離子系統及監測控制系統，所述水-水熱交換器安裝在機芯框架的一側，所述主循環水泵安裝在機芯框架底部，所述膨脹氣囊和去離子系統均安裝在機芯框架後側。所述水-水熱交換器內水進水端連接內配水回水管路，並將系統內冷卻介質帶出的熱能置換到外部冷卻循環系統散發到空氣中，內水出水端連接主循環水泵進水端；所述主循環水泵出水端對內連接內配水進水管路為功率元件提供冷卻；所述膨脹氣囊為系統建立穩壓系統，所述去離子系統並聯於水-水熱交換器、主循環水泵之間的主循環迴路，所述監測控制系統對水冷系統進行自動控制。
作為本發明的一種改進，所述水-水熱交換器、主循環水泵、膨脹氣囊、去離子系統均通過系統管路採用螺栓連接方式固定安裝在機芯框架的相應位置，所述水-水熱交換器對內連接主循環泵，對外連接外部冷卻循環系統，冷卻介質內熱量經過水-水熱交換器置換到外部冷卻循環系統散發到空氣中。
作為本發明的一種改進，所述高壓組合變頻器機芯採用移相三相交流輸入，經過12脈波二極體整流橋功率單元交流轉直流；所述變頻器機芯採用「多逆變器功率堆棧共直流母線」結構，相互採用母排串聯連接相對直流母線 ，經過與直流母線電壓濾波單元相連接的二極體箝位式三電平拓撲原理功率單元實現直流輸入轉交流輸出，三套逆變器功率堆棧逆變器功率單元輸出通過內部設置的輸出濾波器連接負載。
作為本發明的一種改進，所述一套整流器功率堆棧、三套逆變器功率堆棧直流母線採用正-正、零-零、負-負兩兩對應的母排串聯連接形成的「多逆變器功率堆棧共直流母線」結構。
一種礦用隔爆高壓組合變頻器，其特徵在於，包括：一體式防爆組合變頻器殼體；
所述防爆組合變頻器殼體內安裝如權利要求1至6所述的礦用隔爆兼本質安全型高壓組合變頻器機芯。
作為本發明的一種改進，所述一體式防爆組合變頻器殼體採用直筒式結構，左右兩側開門；所述防爆組合變頻器殼體內部設置移動延伸導軌及配套小車，用於安裝固定礦用隔爆兼本質安全型高壓組合變頻器機芯；所述防爆組合變頻器殼體左右側門板設置主迴路電纜快速連接器、隔爆接線腔、本安人機界面、控制按鈕旋鈕、運行狀態顯示；所述防爆組合變頻器殼體後側設計進出水口，提供水循環散熱系統外部冷卻。
相對於現有技術，本發明的優點如下：
1）礦用隔爆高壓組合變頻器同樣空間體積下，一套整流器功率堆棧配合三套逆變器功率堆棧及一套水循環散熱系統，可以在滿足系統散熱需求的基礎上實現一拖三整流逆變交直交變頻控制功能；該技術方案中單獨的整流器功率堆棧、三套逆變器功率堆棧、水循環散熱系統均能分別實現本身具有的整流、逆變、散熱功能，機芯模塊產品化；在空間體積利用上設計更加合理、緊湊，能夠有效的實現快速安裝維護、功率堆棧模塊機芯化；
2）整流器功率堆棧12脈波二極體整流橋串聯結構，交流側外部連接移相變壓器輸出具有30°相位差的三相交流電壓，此結構不僅把整流電路脈衝數由6脈波提高到12脈波，而且大幅降低了5次、7次諧波電流對電網的幹擾；二極體整流電路在自然換相點換相，系統的功率因數相對較高，節約了電能；由於直流母線電容容量較大，可有效減少母線紋波電流含量，進一步降低了整流側諧波含量。另外，該結構對上、下直流母線電壓平衡的控制具有良好的動態響應，為三電平逆變器提供平穩的電平，提升了變頻器的調速性能，同時電路結構簡單，具有低成本高可靠性的優點；
4）逆變器功率堆棧採用二極體箝位式三電平拓撲，「多逆變器功率堆棧共直流母線」結構，逆變器輸出電壓du/dt大大降低，等效開關頻率相比於兩電平提高一倍（從功率器件平均開關損耗和輸出電壓畸變率角度），降低了功率器件開關應力，同時減小了對電機的慢性損壞。
5）水循環散熱系統在滿足單獨實現在各種環境條件下適應被冷卻器件的各種運行工況時長期穩定運行，並且進行了大量傳感器、閥門、罐體等元器件精簡；例如緩衝罐、壓力罐用簡單的膨脹氣囊實現系統穩壓，體積小而且效果好，在無洩漏情況下內水系統冷卻介質無太大損耗，去掉現有技術中的補水系統，進一步提高空間利用率，使整體結構更加緊湊，整個體積只有現有技術的1/4到1/3的體積；同時依然保留去離子系統，以滿足淨化冷卻介質內可能析出的游離電子等優化。
6）整個方案在空間體積利用上設計更加合理、緊湊，能夠有效的實現快速安裝維護、功率堆棧模塊機芯化，大大降低了成本。
附圖說明
圖1為本發明高壓組合變頻器機芯整體結構示意圖。
圖2為本發明的整流器功率堆棧結構示意圖。
圖3為本發明的逆變器功率堆棧結構示意圖。
圖4為本發明的水循環散熱系統結構示意圖。
圖中：1、整流器功率堆棧，2、逆變器功率堆棧，3、水循環散熱系統，101、功率單元，102、低壓控制單元，103、水-風換熱系統單元，104、直流側疊層無感母線，105、機芯框架，201、功率單元，202、輸出濾波器單元，203、直流母線電壓濾波單元，204、低壓控制單元，205、機芯框架，301、水-水熱交換器，302、主循環水泵，303、膨脹氣囊，304去離子系統，305、機芯框架。
具體實施方式
為了加深對本發明的理解和認識，下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步描述和介紹。
實施例1：參見圖1，一種礦用隔爆高壓組合變頻器機芯，所述礦用隔爆高壓組合變頻器機芯包括一套整流器功率堆棧1、三套逆變器功率堆棧2以及一套水循環散熱系統3，所述三套逆變器功率堆棧2設置在整流器功率堆棧1和水循環散熱系統之間3，該技術方案採用正-正、零-零、負-負兩兩對應的母排串聯連接形成的「多逆變器功率堆棧共直流母線」結構，礦用隔爆高壓組合變頻器機芯在同樣空間體積上設計更加合理、緊湊。
實施例2：參見圖2，作為本發明的一種改進，所述整流器功率堆棧包括功率單元101、低壓控制單元102、水-風換熱系統單元103、直流側疊層無感母線104以及機芯框架105，所述功率單元102安裝在機芯框架105的前側，所述低壓控制單元102安裝在機芯框架105的右側；所述水-風換熱系統單元103安裝在機芯框架105的下側，所述直流側疊層無感母線安裝在機芯框架頂部。其中功率單元101採用12脈波二極體整流橋串聯結構；所述功率單元101內部安裝一塊水冷板，在水冷板兩側均布置二極體功率模塊，在功率模塊上安裝交流疊層母線，整流器功率堆棧12脈波二極體整流橋串聯結構功率單元交流側連接具有30°相位差的移相變壓器輸出的三相交流電壓，直流側疊層無感母線正、零、負三相通過母排連接逆變器功率堆棧內直流母線電壓濾波單元。此結構不僅把整流電路脈衝數由6脈波提高到12脈波，而且大幅降低了5次、7次諧波電流對電網的幹擾；二極體整流電路在自然換相點換相，系統的功率因數相對較高，節約了電能；由於直流母線電容容量較大，可有效減少母線紋波電流含量，進一步降低了整流側諧波含量。另外，該結構對上、下直流母線電壓平衡的控制具有良好的動態響應，為三電平逆變器提供平穩的電平，提升了變頻器的調速性能，同時電路結構簡單，具有低成本高可靠性的優點。
實施例3：參見圖2，作為本發明的一種改進，所述功率單元101、低壓控制單元102、水-風換熱系統單元103、直流側疊層無感母線104通過螺栓、導軌等連接方式固定安裝在機芯框架相應位置，充分考慮高壓電氣間隙、爬電距離等絕緣性能。
實施例4：參見圖3，作為本發明的一種改進，所述逆變器功率堆棧包括三套功率單元201、一套輸出濾波器單元202、一套直流母線電壓濾波單元203、一套低壓控制單元204、一臺機芯框架205、一組外部提供散熱循環系統的進出水管，其中：所述三套功率單元201均布安裝在機芯框架205前側，所述輸出濾波器單元202安裝在機芯框架205的下側，所述直流母線電壓濾波單元203安裝在機芯框架205後側，所述低壓控制單元204安裝在機芯框架205頂部，所述外部提供散熱循環系統的進出水管安裝在機芯框架205前側下部位置，所述三套功率單元201採用二極體箝位式三電平拓撲原理為基礎設計的單元結構；所述功率單元內部安裝一塊水冷板，在水冷板兩側均布四個IGBT、二個二極體功率模塊，在功率模塊上安裝交流疊層母線，下部交流側連接交流進出母線。該技術方案中功率單元205採用二極體箝位式三電平拓撲，逆變器輸出電壓du/dt大大降低，等效開關頻率相比於兩電平提高一倍（從功率器件平均開關損耗和輸出電壓畸變率角度），降低了功率器件開關應力，同時減小了對電機的慢性損壞。
實施例5：參見圖3，作為本發明的一種改進，所述三套功率單元201交流疊層母線直流側直接與直流母線電壓濾波單元203直流母線正、零、負端連接，減少二次連接等原因造成的電磁幹擾等不利因素；所述功率單元交流進出母線輸出側經過輸出濾波器單元連接外部負載提供安全、穩定、可控的交流輸出；所述三套功率單元201、輸出濾波器單元202、直流母線電壓濾波單元203、低壓控制單元204、外部提供散熱循環系統的進出水管通過螺栓、導軌連接方式固定安裝在機芯框架205相應位置，低壓控制單元204為逆變器功率堆棧2提供獨立可靠的邏輯控制功能。功率單元輸出側經過輸出濾波器單元202連接外部負載提供安全、穩定、可控的交流輸出，輸出濾波器單元安裝在強冷風道內。逆變器功率堆棧可以實現具有獨立運行、穩定可靠、功能完整的直-交轉換功能的逆變器。在空間體積利用上設計更加合理、緊湊，能夠有效的實現快速安裝維護、功率堆棧模塊機芯化。
實施例6：參見圖4，作為本發明的一種改進，所述水循環散熱系統包括機芯框架305以及設置在機芯框架內部的水-水熱交換器301、主循環水泵302、膨脹氣囊303、去離子系統304及監測控制系統，所述水-水熱交換器301安裝在機芯框架305的一側，所述主循環水泵安裝在機芯框架305底部，所述膨脹氣囊303和去離子系統304均安裝在機芯框架305後側，所述水-水熱交換器301、主循環水泵302、膨脹氣囊303、去離子系統304均通過系統管路採用螺栓連接方式固定安裝在機芯框架的相應位置，主循環水泵302提供恆定壓力和流速的冷卻介質源源不斷流經水-水熱交換器301進行熱交換，冷卻介質降溫後過相應管路再進入整流器功率堆棧1、逆變器功率堆棧2，與其中的功率單元101、201被冷卻器件等進行熱交換，帶走熱量，升溫後的水回至高壓循環泵302的進口；所述水循環散熱系統根據熱負荷的變化，PLC根據供水溫度的高低來控制進入換熱器的冷卻水流量，從而達到系統精確控制溫度的要求；膨脹氣囊303為整個水循環系統提供穩定的運行壓力；水-水熱交換器301對內連接主循環泵，對外連接外部冷卻循環系統，冷卻介質內熱量經過水-水熱交換器301置換到外部冷卻循環系統散發到空氣中。水循環散熱系統3在滿足單獨實現在各種環境條件下適應被冷卻器件的各種運行工況時長期穩定運行，進行了大量傳感器、閥門、罐體等元器件精簡。例如緩衝罐、壓力罐用簡單的膨脹氣囊303實現系統穩壓，在無洩漏情況下內水系統冷卻介質基本無太大損耗；去掉補水系統，進一步提高空間利用率，使整體結構更加緊湊；同時保留去離子系統，以滿足淨化冷卻介質內可能析出的游離電子等優化。
實施例7：如圖1所示，整流器功率堆棧1內直流側疊層無感母線104正、零、負三相通過母排連接相鄰逆變器功率堆棧2內直流母線電壓濾波單元203，三套逆變器功率堆棧2的直流母線電壓濾波單元203相互採用母排串聯連接「多逆變器功率堆棧共直流母線」結構，礦用隔爆兼本質安全型高壓組合變頻器機芯可以實現一個完整的交直交變頻轉換功能。同時一套整流器功率堆棧1、三套逆變器功率堆棧2、一套水循環散熱系統3通過連接安裝後，強冷風道相互配合形成一個密閉的完整的循環風道，由整流器功率堆棧1內水-風換熱系統單元103為礦用隔爆兼本質安全型高壓組合變頻器機芯功率單元101、201以外單元組件提供循環散熱，以保證系統運行更加穩定可靠。
由上所述可見，一套採用具有移相三相交流輸入，12脈波二極體整流橋串聯結構的「整流器功率堆棧」、三套採用成熟可靠的二極體箝位式三電平拓撲原理 「多逆變器功率堆棧共直流母線」結構的「逆變器功率堆棧」、一套水-水熱交換散熱方式的「水循環散熱系統」組裝成具有一套完整一拖三整流逆變交直交變頻控制功能的礦用隔爆兼本質安全型高壓組合變頻器機芯；大幅降低了5次、7次諧波電流對電網的幹擾，節約電能。無論在空間佔有率、成本對比、性能穩定可靠等方面「礦用隔爆兼本質安全型高壓組合變頻器機芯」結構都佔據了極大的性能優勢；並且整流器功率堆棧、逆變器功率堆棧、水循環散熱系統均能分別實現本身具有的整流、逆變、散熱功能，機芯模塊產品化。
實施例8：如圖1所示，一體式防爆組合變頻器殼體；防爆組合變頻器殼體內安裝如上所述的礦用隔爆兼本質安全型高壓組合變頻器機芯；進一步，在本發明實施例的一種礦用隔爆高壓組合變頻器，一體式防爆組合變頻器殼體採用直筒式結構，左右側開門；防爆組合變頻器殼體內部設置移動延伸導軌及配套小車，用於安裝固定、維護以上所述「礦用隔爆兼本質安全型高壓組合變頻器機芯」；防爆組合變頻器殼體左右側門板設置主迴路電纜快速連接器、隔爆接線腔、本安人機界面、控制按鈕旋鈕、運行狀態顯示等。
本發明還可以將實施例2、3、4、5、6、7所述技術特徵中的至少一個與實施例1組合形成新的實施方式。
需要說明的是上述實施例，並非用來限定本發明的保護範圍，在上述技術方案的基礎上所作出的等同變換或替代均落入本發明權利要求所保護的範圍。