可用于高压变频器的通用缓冲型高压开关柜的制作方法

专利名称：可用于高压变频器的通用缓冲型高压开关柜的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种高压开关柜，确切地说是涉及了一种既可以作为高压变频器旁 路柜使用，实现其上电瞬间电阻限流缓冲功能，又可以将高压变频器旁路实现电动机的 直接起动，方便高压变频器在电动机在线时维护，还可以作为普通高压负载开关柜使用 的通用高压开关设备柜体，属于高压变频器的配套设备。本实用新型中的高压开关柜涉 及高压电气、PLC、通信等方面。
背景技术：
随着能源状况的日趋紧张，环境恶化的加剧，节能减排已经成为世界各国的一致共 识，而作为发展中国家的第一能源消耗大国的中国，此问题更显严峻。据权威统计，国 内有70-80%的电能被电动机类负载消耗，而在这部分能源中，有约20-30%由于电动机 与负载的区配问题白白浪费。随着科学技术的飞速发展，高电压大电流的电力电子器件 在国内应用也日趋成熟，高压变频器也越来越多地应用到了水泥、电厂、石油、化工、 供水、矿山、冶金等多个行业中的高压大功率电机用来实现节能，并提升现场自动控制 及工艺水平。
由图1中可以看出，高压变频器的功率电路分主要由移相变压器与功率单元组成， 隔离变压器原边输入为三相高压(例如6kV或10kV)， 一般为Y接，副边为各移相12。 电角度的5*3组绕组，电压一般为690V，这种结构的变压器主要是为降低系统侧电流 谐波含量。功率单元柜中主要是由3*5组功率单元组成，各组中的功率单元为中联结构， 输出电压波形相互错相，叠波升压，达到高压输出的目的。功率单元主要由输入熔断器、 整流电路、直流电容阵列、逆变电路等部分组成。由图1可知，功率柜中有多个功率单 元(如15个或18个或更多)，所以上电瞬间势必造成较大的冲击电流，根据实测值， 这个电流可以达到额定电流的6-10倍，这势必造成功率元件与电容寿命的下降，更严 重的是由于系统侧电流太大，非常容易造成系统的过流保护，不得不扩大系统容量或是 增加其它诸发水电阻等的起动时补救措施；另外由于高压变频器需要定期进行维护或故 障时维修，此时就需要将高压变频器旁路，而用工频直接驱动电动机，由于此时高压变 频器控制系统均断电，所以对高压开关的操作要么就是通过手动隔离刀闸，要么就是通 过另外的高压电路送电，给现场的远程自动控制造成许多不便，影响正常生产；随着高 压变频器市场的逐步扩大，上述两个问题成了急需解决的问题。发明内容
本实用新型的目的在于提供一种可用于变频器输入输出的高压开关柜，这种开关 柜可以解决用普通开关柜时高压变频器输入侧冲击电流过大的问题，同时还可以解决当 高压变频器维护时高压开关必须现场手动操作的问题。
本实用新型具体采用以下技术方案
一种可用于高压变频器的通用缓冲型高压开关柜，包括柜体、第一接触器KM1、 第二接触器KM2、第三接触器KM3、第四接触器KM4、三相缓冲电阻Ra、 Rb、 Rc， 其特征在于
所述第一接触器KM1、第三接触器KM3和第四接触器KM4的输入端并联连接后 与三相交流电源相连，第一接触器KM1的输出端三相分别串联三相缓冲电阻Ra、 Rb、 Rc后与第四接触器KM4的输出端并联连接到高压变频器中的变压器柜的输入端，该变 压器柜的输出端连接到功率单元柜的输入端；
所述第二接触器KM2的输入端连接到所述功率单元柜的三相输出端，第二接触器 KM2的输出端与第三接触器KM3的输出端并联连接后与高压负载相连；
所述第一接触器KM1、第二接触器KM2、第三接触器KM3、第四接触器KM4均 设置在所述高压开关柜内。
高压开关柜还包括设置在绝缘柜顶上的电阻箱，所述三相缓冲电阻Ra、 Rb、 Rc设 置在所述电阻箱内。
所述高压开关柜内还设置有PLC控制器，用于控制第一接触器KM1、第二接触器 KM2、第三接触器KM3、第四接触器KM4的开关；PLC的数字量输出端口 (Digital Output)连接到所述第一接触器KM1、第二接触器KM2、第三接触器KM3、第四接 触器KM4的驱动线圈，通过控制所述PLC控制所述第一接触器KM1 、第二接触器KM2、 第三接触器KM3、第四接触器KM4的开合；通过PLC的数字量输入端口 (Digital Input) 采集所述第一接触器KM1、第二接触器KM2、第三接触器KM3、第四接触器KM4的 开合状态。PLC的COM模块上有两个RS485接口， 一个以太网口，其中一个RS485 用来与主控制器进行通信，另外一个RS485 口与以太网口可以用来与现场的远程集控系 统进行通信，PLC通信支持Modbus、 Profibus、 TCP/IP多种规约，实现与各种远程控制 以及集中控制系统的无缝联接。
所述高压开关柜还包括前下柜门和前上柜门；PLC触摸屏设置在所述前上柜门上， 通过该PLC触摸屏，用于所述第一接触器(KM1)、第二接触器(KM2)、第三接触器 (KM3)、第四接触器(KM4)开关状态的本地显示以及控制。所述高压开关柜还包括电流互感器和避雷器，装设在所述高压开关柜的底部，所述 电流互感器用于测量输入侧A相电流，所述避雷器安装在主电路进线侧。 本实用新型具有以下有益效果
可以用于高压变频器与现场设备开关联接，柜顶端的三相缓冲电阻接入系统高压与 高压变频器变压器进线间，可以有效避免主电路上电瞬间的冲击电流，从而保护变压器 与功率器件，同时减小对系统的冲击。
可实现高压变频器故障或维护时的工频运行，并产生有效的高压隔离，保证设备与 人身安全。
可方便地实现高压变频器主控制器或现场集控系统对开关的操作与状态监测，通信 接口与规约配置方便。


图1为带有限流电阻的高压变频器的主电路结构；
图2为柜体开关的PLC控制回路结构；
图3为柜体整体外观；
图4为柜体内部前视图5为柜体内部侧视图。
具体实施方式
为了能够更清楚地说明本实用新型的内容，现结合各附图对其实施方案与工作原理 进行较详细说明。
由图l可以看出，高压变频器除了主电路中的变压器与功率单元外，还需要与系统 以及负载相联的开关电路，用来操作主系统上电下电，以及高压负载的不同的驱动方式， 为安全其见，主电路需要能够与系统高压侧彻底断开，图中的接触器KM1与接触器KM4 为进线开关，这两个开关同时断开时，高压变频器系统与系统侧断开，系统断电。为了 避免负载侧高压回馈至系统侧与高压变频器设备，所以高压变频设备与高压电动机负载 间需要能够彻底断开，图1中所示接触器KM2断开时即可以实现高压变频器设备与高 压电动机负载侧的断点。上面提到过一个重点内容就是要解决高压变频器在系统侧上电 瞬间因为有大容量电容器的存在而发生的冲击电流过大的问题，对于这个问题的解决有 多种方法，常用的方法一是在移相隔离变压器与各功率单元间加入三个低压电阻，上电 瞬间将其接入电路，充电完成后将其旁路；方法二是在各功率单元整流电路与直流电容 器阵列间加入一个低压电阻，上电瞬间接入电路，充电完成后将其旁路。综观以上这两种方法，都是在单个功率单元中进行接入电阻器的处理，方法一中每个功率单元中需要 三个低压电阻，同时为了实现这三个低压电阻的旁路，就需要三个旁路开关，功率单元 是个结构紧凑型的部件，因为其主电路本身的器件已经很多，而且EMC问题较为复杂， 所以功率单元中再加入三个电阻与三个开关，将使空间等问题变得更加严重或是无法解 决；虽然方法二中电阻的个数与旁路开关个数减少为了一个，对于功率单元结构空间问 题有所改进，但是其元器件过多、故障率过高、安全性降低的根本问题没有得到解决。 所以本实用新型中采用了一种新的方法，即如图中所示在高压变频器的变压器与系统 侧之间串入三个缓冲电阻，当上电时先用KM4将三相中的缓冲电阻接入主电路，待各 功率单元充电完成后，将三个电压电阻由KM1旁路，完成起动过程。
高压变频器为一种集电力、电子、通信等多领域为一体的装置，而且其中器件数万 个，所以难免会产生故障，即使不产生故障，日常维护也是不可避免的，此时就需要将 装置退出运行，常用的方法有两种 一是将设备退出运行，待维修或维护完毕后再投入 运行，这种方法只能用在那些不关键的设备上，对现场使用带来很大不便；另一种方法 是在开关柜上加入手动刀闸开关，在高压变频器需要进行维护或维修时将接触器退出而 改为手动刀闸进行手动操作。第二种方法虽然解决了设备维护或维修时必须退出运行的 情况，但因为其不能实现远程控制，在现在一些自动化要求比较高或是集中控制的系统 应用中就非常不便，大大影响了现场推广应用。为了解决这个问题，本实用新型中将 PLC控制技术应用到了开关柜中，如图2所示，KM1-KM4接触器的驱动线圈均由PLC 的数字量输出端口来操作，各接触器的状态也通过数字量输入端口由PLC采集，全部 开关的控制均由PLC完成。PLC的COM模块上有两个RS485接口， 一个以太网口， 其中一个RS485用来与主控制器进行通信，另外一个RS485 口与以太网可以用来与现 场的远程集控系统进行通信，与主控制器一样，PLC通信支持Modbus、 Profibus、 TCP/IP 等多种规约，可非常方便地实现与各种远程控制以及集中控制系统的无缝联接。
在图1中，外部用户高压开关上电后，KM4合闸，移相隔离变压器原边通过缓冲 电阻与系统接通，经过固定延时(延时时间因系统容量与缓冲电阻值有关)后将KM1 合闸，KM4分闸，同时合KM2，然后变频启动，完成系统的起动。当系统发生故障进 行维修或进行正常系统维护时，将KM2、 KM4、 KM1均分闸，将KM3合闸，系统工 频运行。
由图2所示，所有的开关控制功能以及延时功能均由PLC完成，PLC接有一个触 摸板，可以进行现场本地的开关状态显示以及开关操作。同时PLC还担负着与高压变 频器主控制器以及远程控制系统的通信功能，所以变可以方便地实现本地触摸板操作方 式、主控制器操作方式、远程操作方式等三种操作方式，现对这三种操作方式分别进行说明。在本地触摸板操作方式下，可以用触摸笔点亮柜体上的触摸屏，进行各个开关的 合闸分闸操作，PLC中有逻辑操作，保证操作的安全性；主控制器操作方式，也是最常 用的方式，在高压变频器正常工作时，均为此种操作方式，即PLC对开关的操作均由 主高压变频器的通信数据进行操作，PLC只作为主控制器的一个操作机构与状态采集机
构，PLC对开关的操作均由主控制器来关决定；远程控制操作方式为高压变频器系统出 现故障时或正常维护时采用的一种控制方式，在此种方式下，PLC作为远程控制系统的
一个操作机构来处理，所有的开关操作均由远程控制系统进行通信控制，保证在高压变 频器故障时仍旧能够实现现场电动机的远程控制，实现工频变频的无缝变换。
由于PLC具有多种通信接口，支持多种通信规约，所以可以很方便地与现在的多
种工业用的集控系统联接，并可以与多系列的高压变频器实现联接，还有更重要的一点 就是，本实用新型中的开关柜不但可以用在高压变频器中用来作为限流以及旁路控制，
还可以用在多种需要远程控制的、多开关协同工作的工业场合，由于PLC强有力的逻 辑操作功能以及方便的配置方式，为这一实用新型产品的现场应用提供了强有力的基 础。
由附图3、附图4、附图5中可以看到，整个开关柜由主柜体由前上柜门、前下柜 门、侧板、绝缘柜顶、电阻箱等组成；PLC触摸板安装于柜上前门上，用来进行天关状 态的本地显示以及控制；柜子里面安装有接触器、避雷器、电流互感器等。本实用型的 一个突出特点是将高压限流电阻放在了柜子顶端，因为在上电过程中，电流通过缓冲电 阻会产生热量，将其放在柜顶利于散热，且顶端用了绝缘板结构，确保电气性能。
总之，本实用新型开关柜无论从与高压变频器的配套使用、远程控制的方便性、工 业场合的通用性方面都有其独到的特点，是一种实用性很强的产品。
权利要求1、一种可用于高压变频器的通用缓冲型高压开关柜，包括柜体、第一接触器(KM1)、第二接触器(KM2)、第三接触器(KM3)、第四接触器(KM4)、三相缓冲电阻(Ra、Rb、Rc)，其特征在于所述第一接触器(KM1)、第三接触器(KM3)和第四接触器(KM4)的输入端并联连接后与三相输入交流电源相连，第一接触器(KM1)的输出端三相(A、B、C)分别串联三相缓冲电阻(Ra、Rb、Rc)后与第四接触器(KM4)的输出端并联连接到高压变频器中的变压器柜的输入端，该变压器柜的输出端连接到功率单元柜的输入端；所述第二接触器(KM2)的输入端连接到所述功率单元柜的三相输出端，第二接触器(KM2)的输出端与第三接触器(KM3)的输出端并联连接后与高压负载相连；所述第一接触器(KM1)、第二接触器(KM2)、第三接触器(KM3)、第四接触器(KM4)均设置在所述高压开关柜柜体内。
2、 根据权利要求l所述的可用于高压变频器的通用缓冲型高压开关柜，其特征在 于所述高压开关柜还包括设置在绝缘柜顶上的电阻箱，所述三相缓冲电阻(Ra、 Rb、 Rc)设置在所述电阻箱内。
3、 根据权利要求1或2所述的可用于高压变频器的通用缓冲型高压开关柜，其特 征在于-所述高压开关柜内还设置有PLC控制器，用于控制第一接触器(KM1)、第二接触 器(KM2)、第三接触器(KM3)、第四接触器(KM4)的开关；所述高压开关柜还包括电流互感器和避雷器，装设在所述高压开关柜的底部，所述 电流互感器用于测量输入侧A相电流，所述避雷器安装在主电路进线侧。
4、 根据权利要求3所述的可用于高压变频器的通用缓冲型高压开关柜，其特征在 于PLC的数字量输出端口连接到所述第一接触器(KM1)、第二接触器(KM2)、第 三接触器(KM3)、第四接触器(KM4)的驱动线圈，通过控制所述PLC控制所述第一 接触器(KM1)、第二接触器(KM2)、第三接触器(KM3)、第四接触器(KM4)的开 合；通过PLC的数字量输入端口采集所述第一接触器(KM1)、第二接触器(KM2)、 第三接触器(KM3)、第四接触器(KM4)的开合状态。
5、 根据权利要求4所述的可用于高压变频器的通用缓冲型高压开关柜，其特征在 于所述PLC的COM模块上有两个RS485接口， 一个以太网口，其中一个RS485用 来与主控制器进行通信，另外一个RS485 口与以太网口用来与现场的远程集控系统进行 通信，PLC通信支持Modbus、 Profibus、 TCP/IP多种规约，实现与各种远程控制以及集中控制系统的无缝联接。
6、根据权利要求5所述的可用于高压变频器的通用缓冲型高压开关柜，其特征在 于所述高压开关柜还包括前下柜门和前上柜门；PLC触摸屏设置在所述前上柜门上， 通过该PLC触摸屏，用于所述第一接触器(KM1)、第二接触器(KM2)、第三接触器 (KM3)、第四接触器(KM4)开关状态的本地显示以及本地控制。
专利摘要本实用新型公开了一种可用于高压变频器的开关柜，确切地说，本实用新型可以用于高压变频器前端缓冲电阻以避免高压变频器上电瞬间冲击电流；并安装有控制及通信功能的PLC，以实现与高压变频器主控制器或远程控制系统的多种形式接口的通信，执行高压变频器主控制器或远程控制系统的命令并回传各开关状态；可以在高压变频器故障或维护时切换至工频运行，以实现高压变频器与系统的安全隔离；本实用新型可用于高压变频器的同时还可以用于普通的需要远程控制的高压开关现场。
文档编号H02B1/00GK201369491SQ20092000397
公开日2009年12月23日 申请日期2009年1月21日 优先权日2009年1月21日
发明者王牡丹, 军 陈, 府 陈 申请人:安徽长风电缆集团有限公司;安徽欧赛电子科技有限公司