隔爆兼本质安全型变频器及设备的制作方法

本发明涉及变频器领域，尤其涉及一种隔爆兼本质安全型变频器及设备。

背景技术：

作为大型顺槽带式输送机的关键元部件设备，如大功率软启动装置，需要完全依赖国外进口，造成设备投资增加，售后服务很难到位，备品备件不易采购的局面。另外，目前国内大型顺槽带式输送机单机驱动功率在800kw以上时，其软启动方式多采用电动机直接空载启动，配合cst或者调速型液力耦合器进行带式输送机软启动的方案。其缺点在于，通过cst或者调速型液力耦合器实现软启动方案对机械设备以及电网冲击较大，虽然基本能满足软启动的要求，但无法控制运行速度，工作可靠性、调速性能、功率平衡性能、速度同步性能等均不能很好满足现场使用要求；且维护困难，使用维护费用较高；最重要的一点机械滑差的存在导致电动机在低速运行下其温度的快速上升，从而无法实现长距离顺槽带式输送机的低速验带功能。

变频驱动在煤矿刮板机、带式输送机、绞车、立井提升、采煤机电牵引、风机及水泵等多种工矿都有应用。变频驱动装置既可用于刮板输送机、带式输送机、绞车及立井提升等恒转矩负载，又可用于煤矿井下风机、水泵等恒功率负载。

国内从2004年开始采用高压变频器作为软启动装置运用于非防爆工作面的大型带式输送机上。该应用取得了显著的效果，现已经广泛运用。但顺槽带式输送机电气软启动目前仅有低压防爆变频器可供选择，随着科学技术的进步和大型矿井的出现，急需研制大功率高压防爆变频器来实现软启动。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种隔爆兼本质安全型变频器及设备。

为了解决上述问题，本发明提供一种隔爆兼本质安全型变频器，其包括：第一滤波单元，与电网电源连接；整流回馈单元，与所述第一滤波单元连接，用于进行交流电压信号与直流电压信号的转换，所述整流回馈单元为嵌套式中点导向的拓扑架构，且为五电平功率模块；逆变单元，用于进行直流电压信号与交流电压信号的转换，所述逆变单元为嵌套式中点导向的拓扑架构，且为五电平功率模块；直流母线单元，分别与所述整流回馈单元及所述逆变单元连接，用于传递直流电压信号；第二滤波单元，分别与所述逆变单元及电动机连接；控制器，分别与所述第一滤波单元、整流回馈单元、逆变单元及第二滤波单元连接，以控制所述第一滤波单元、整流回馈单元、逆变单元及第二滤波单元的运行。

进一步，所述整流回馈单元由两个三电平拓扑结构通过飞跨电容嵌套出一个五电平结构，两个三电平拓扑通过飞跨电容呈镜像对称。

进一步，所述逆变单元由两个三电平拓扑结构通过飞跨电容嵌套出一个五电平结构，两个三电平拓扑通过飞跨电容呈镜像对称。

进一步，所述整流回馈单元的架构与所述逆变单元的架构通过所述直流母线单元呈镜像对称。

进一步，所述直流母线单元包括至少一直流电容。

进一步，所述变频器还包括预充电变压器，所述预充电变压器与所述直流母线单元连接，用于对所述直流母线单元预充电。

进一步，所述变频器还包括功率接口板，所述第一滤波单元、整流回馈单元、逆变单元及第二滤波单元的监控信息通过所述功率接口板与所述控制器连接。

进一步，所述隔爆兼本质安全型变频器的额定输入电压为6kv，额定输出电压为6kv。

进一步，所述隔爆兼本质安全型变频器还包括进出连接线，所述进出连接线采用带绝缘监视回路的快插式电缆连接器。

本发明还提供一种变频设备，其包括如上所述的变频器。

本发明的优点在于，本发明隔爆兼本质安全型变频器为6kv/1900kwa电压源型矿用隔爆兼本质安全型变频装置，其能够满足大型顺槽带式输送机软启/制动及调速对驱动装置的要求，填补国内空白，且本发明隔爆兼本质安全型变频器为五电平pwm输出，输出侧不仅能连接异步电动机，也能连接永磁同步电动机。

本发明的另一优点在于，无变压器、无熔断器、模块化设计，体积小、重量轻。

本发明的再一优点在于，高压进出线采用带绝缘监视回路的快插式电缆连接器，是其他型式的电缆连接器不具备的。

附图说明

图1是本发明隔爆兼本质安全型变频器的一个具体实施方式的结构简图；

图2是本发明隔爆兼本质安全型变频器的一个具体实施方式的电路图；

图3是隔爆兼本质安全型变频器的第一滤波单元的一具体实施方式的电路图；

图4是本发明隔爆兼本质安全型变频器的整流回馈单元及逆变单元的一具体实施方式的电路图；

图5是本发明变频设备的一具体实施方式的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的隔爆兼本质安全型变频器及设备的具体实施方式做详细说明。

本发明提供隔爆兼本质安全型变频器的一个具体实施方式。图1是所述隔爆兼本质安全型变频器的一个具体实施方式的结构简图，图2是所述隔爆兼本质安全型变频器的一个具体实施方式的电路图。请参阅图1及图2，所述隔爆兼本质安全型变频器包括第一滤波单元10、整流回馈单元11、逆变单元12、直流母线单元13、第二滤波单元14及控制器15。

所述第一滤波单元10的一端与电网电源20连接。所述电网电源20向所述隔爆兼本质安全型变频器提供电压。所述第一滤波单元10由电容、电感和电阻组成的滤波电路。所述第一滤波单元10限制共模电路，改善谐波，以使得输入至所述整流回馈单元11的电压符合标准。相较于现有的变频器，由于所述第一滤波单元10的存在，本发明隔爆兼本质安全型变频器不需要使用变压器。图3是隔爆兼本质安全型变频器的第一滤波单元10的一具体实施方式的电路图。请参阅图3，在本具体实施方式中，所述第一滤波单元10由一个lcl正玄波滤波器和一个共模电抗器组成，前者是为了改善谐波，使其满足大多数国际标准，后者是为了限制共模电流。lcl正玄波滤波器包括电感l1和l2、直流电阻rinf、电容c3；共模电抗器包括共模电抗器电感lcm，lcl正玄波滤波器与共模电抗器通过设计匹配组成所述第一滤波单元10。所述第一滤波单元10配合整流回馈单元11，实现了电网侧动态跟踪补偿，而且可以既补谐波又补无功。

所述整流回馈单元11与所述第一滤波单元10连接。所述整流回馈单元11为基于igbt的有源前端，其为嵌套式中点导向(neutralpointpiloted，npp)的拓扑架构，且为五电平功率模块，来产生5电平的输出电压。所述整流回馈单元11用于进行直流电压信号与交流电压信号的转换。具体地说，所述整流回馈单元11能够将电网电源的交流电压信号转换为直流电压信号，并且所述整流回馈单元11能够向电网电源20回馈电能。所述逆变单元12用于进行直流电压信号与交流电压信号的转换。具体地说，所述逆变单元12能够将所述整流回馈单元11的直流电压信号转换为交流电压信号，并将该交流电压信号传递给电动机30。所述逆变单元12为嵌套式中点导向(neutralpointpiloted，npp)的拓扑架构，且为五电平功率模块，来产生5电平的输出电压。

进一步，请参阅图4，在本具体实施方式中，所述整流回馈单元11由两个三电平拓扑结构110通过飞跨电容111嵌套出一个五电平结构，两个三电平拓扑结构110通过飞跨电容111呈镜像对称。所述逆变单元12由两个三电平拓扑结构121通过飞跨电容122嵌套出一个五电平结构，两个三电平拓扑结构121通过飞跨电容122呈镜像对称。

本申请整流回馈单元11及逆变单元12产生5电平的输出电压，相较于3电平的输出电压，电压波形越接近正弦波，谐波含量越少，对电动机的绝缘等性能的影响越小。所述直流母线单元13分别与所述整流回馈单元11及所述逆变单元12连接，用于传递直流电压信号。所述整流回馈单元11输出的直流电压信号经所述直流母线单元12传输至所述逆变单元12，并作为所述逆变单元12的输入信号。进一步，所述直流母线单元12包括至少一直流电容，例如，所述直流母线单元12由直流电容组构成。

进一步，在本具体实施方式中，进一步，所述整流回馈单元11的架构与所述逆变单元12的架构通过所述直流母线单元13呈镜像对称。

所述第二滤波单元14分别与所述逆变单元12及所述电动机30连接。所述逆变单元12输出的交流电压信号经所述第二滤波单元14滤波后输出至所述电动机30。所述第二滤波单元14为dv/dt滤波器，其能够降低开关暂态过电压从而允许使用更长的电动机电缆与所述电动机30连接。所述第二滤波单元14是由电容、电感和电阻组成的滤波电路。

所述控制器15分别与所述第一滤波单元10、整流回馈单元11、逆变单元12、直流母线单元13及第二滤波单元14连接，以控制所述第一滤波单元10、整流回馈单元11、逆变单元12、直流母线单元13及第二滤波单元14的运行。所述控制器15为电力电子控制器(pece)，其能提供高性能的矢量控制计算，确保变频器的安全运行。

进一步，所述隔爆兼本质安全型变频器还包括预充电变压器16。所述预充电变压器16与所述直流母线单元13连接，用于对直流母线单元13进行预充电以避免所述隔爆兼本质安全型变频器启动时的浪涌电流。

进一步，所述隔爆兼本质安全型变频器还包括功率接口板17。所述功率接口板17提供所有的模拟量测量接口、数字量测量接口以及igbt的触发/监控信号接口。其中，所述第一滤波单元10、整流回馈单元11、逆变单元12及第二滤波单元14的监控信息通过所述功率接口板17与所述控制器15连接。在本具体实施方式中，所述功率接口板17包括整流功率接口板171及逆变功率接口板172。所述第一滤波单元10及所述整流回馈单元11是监控信息通过所述整流功率接口板171与所述控制器15连接，所述逆变单元12及第二滤波单元14的监控信息通过所述逆变功率接口板172与所述控制器15连接。

进一步，所述隔爆兼本质安全型变频器还包括进出连接线，所述进出连接线采用带绝缘监视回路的快插式电缆连接器，该连接器在具备主电缆接插件的基础上内部增加了三个绝缘监视回路电缆接插件，用于通过绝缘监视电缆，在高压电缆快速接头制作时，将单相主电缆外屏蔽层与绝缘监视电缆之间串接一定阻值的电阻，形成直流回路并检测回路中的电流，通过电流的变化来判断主电缆外边屏蔽层是否受损，从而起到主电缆绝缘保护的作用。

进一步，所述隔爆兼本质安全型变频器的额定输入电压为6kv，额定输出电压为6kv，而现有的隔爆兼本质安全型变频器的额定输入电压仅为3.3kv，额定输出电压仅为3.3kv。

本发明隔爆兼本质安全型变频器为四象限变频器。四象限变频器指的是，如果变频器能够满足电动机的电动状态，也能从电动状态进入发电状态运行，就称为四象限变频器。本发明隔爆兼本质安全型变频器的工作过程描述如下：

当电动机工作在电动状态的时候，整流回馈单元11内部igbt等可控元件组成的桥式电路，通过控制可控元件的触发时序就能控制某时段电桥的哪一路能导通，这样就实现了将交流电转换成直流，输出到直流母线单元13，然后逆变单元12从直流母线单元13获取电能并采用igbt逆变技术将直流转化成电压频率皆可调整的交流电控制交流电动机，此时能量从电网电源经由整流回馈单元回路和逆变单元回路流向电动机，隔爆兼本质安全型变频器工作在第一、第三象限。

当电动机工作在发电状态的时候，电动机产生的能量通过逆变单元将能量回馈到直流母线单元13，整流回馈单元11将直流母线单元13的能量直流电压信号逆变成与电网同步同相位的正弦交流电压信号，在第一滤波单元10过滤掉高次谐波后将能量回馈到电网电源，达到节能的效果。此时能量由电动机通过逆变单元12、整流回馈单元11流向电网电源，隔爆兼本质安全型变频器工作在二、四象限。

本发明隔爆兼本质安全型变频器采用低压igbt功率模块可以实现能量的双向流动，其开关频率和可靠性明显高于同类产品所采用的高压igbt或igct且其一方面可以调整输入的功率因数，消除对电网的谐波污染，另一方面可以将电动机产生的能量回馈到电网，达到彻底的节能效果。

本发明隔爆兼本质安全型变频器既可以应用于异步电动机，又可以应用于永磁同步电动机，而现有的隔爆兼本质安全型变频器仅能应用于异步电动机，而不能应用于永磁同步电动机。

本发明隔爆兼本质安全型变频器既可以应用于有防爆要求的顺槽带式输送机、大巷带式输送机，又可以应用于长距离带中间驱动的主斜井带式输送机。

本发明隔爆兼本质安全型变频器既可以应用于带式输送机这类恒转矩负载，又可以应用于风机、水泵类恒功率负载。

本发明还提供一种变频设备。所述变频设备采用上述的隔爆兼本质安全型变频器。图5是本发明变频设备的一具体实施方式的结构示意图。请参阅图5，所述变频设备包括变频器300及冷却系统310。所述变频器300及所述冷却系统310可设置在一外壳(附图为绘示)中。所述变频器300为上述的隔爆兼本质安全型变频器，不再详述。

所述冷却系统310包括一去离子水子系统a、水冷热交换子系统b及风冷热交换子系统c。

所述去离子水子系统a包括一离子交换器311。所述去离子水子系统a形成去离子水，并向所述变频器输入去离子冷却水。所述去离子水子系统a能够动态去除水中溶解的电解质离子，保证去离子水子系统管路中的冷却水的电导率符合变频装置运行要求。

进一步，所述去离子水子系统a进一步包括膨胀水箱312及补水装置313。所述膨胀水箱312与所述去离子水子系统a的管路连通，用于对所述去离子水子系统a进行压力补偿。所述补水装置313与所述去离子水子系统a的管路连通，用于向所述去离子水子系统a补水。

所述水冷热交换子系统b与所述风冷热交换子系统c并行设置。自所述变频器300排出的冷却水能够经过所述水冷热交换子系统b或经过所述风冷热交换子系统c而传输至所述去离子水子系统a。也就是说，所述水冷热交换子系统b与所述去离子水子系统a形成第一冷却循环管路，所述风冷热交换子系统c与所述去离子水子系统a形成第二冷却循环管路。其中，在所述水冷热交换子系统b段采用虚线箭头示意性地绘示冷却剂流向，在所述风冷热交换子系统c段采用实线箭头示意性地绘示冷却剂流向，在所述去离子水子系统a段采用实线箭头示意性地绘示冷却剂流向。

所述水冷热交换子系统b可通过一板式换热器314与外界换热。自所述变频器300排出的冷却水经管路流通至所述板式换热器314，在所述板式换热器314处所述冷却水被散热形成温度低的冷却水，该冷却水经管道进入去离子水子系统a。

所述风冷热交换子系统c可通过一空气散热器315与外界换热。自所述变频器300排出的冷却水经管路流通至空气散热器315，在所述空气散热器315处所述冷却水被散热形成温度低的冷却水，该冷却水经管道进入去离子水子系统a。进一步，当环境温度小于或等于30℃时可选用所述风冷热交换子系统c。

进一步，所述冷却系统310还包括一主管路d。所述去离子水子系统a通过所述主管路d与所述变频器310连通。所述主管路d包括至少一循环泵317。所述循环泵317与所述去离子水子系统a连接，以提供去离子冷却水的输送动力。在本具体实施方式中，所述主管路d包括两个循环水泵317，两个循环水泵317可相互作为备份。

进一步，所述主管路d设置有至少一监测装置318。所述监测装置318能够实时监测流经主管路d的冷却水的参数。所述监测装置318包括但不限于压力监测装置、温度监测装置、流量监测装置及电导率监测装置中的一种或多种。

进一步，在所述冷却系统310的各个管路上设置有多个开关319，所述开关319开启及关闭可控制其对应段管路的通路及断开。

本发明提供一种能够满足大型顺槽带式输送机6kv、1400kw所需高压电动机的驱动的大功率隔爆兼本安型高压变频设备，促进行业标准的制定，填补国内空白。本发明变频设备采用去离子冷却，保证模块在长时间恶劣工况下运行的冷却质量，变频器内部不会形成结垢，提高设备的总体可靠性和可利用率，工业使用寿命较长。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。