6kV级联式隔爆兼本质安全型高压变频器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种6kV级联式隔爆兼本质安全型高压变频器，包括隔爆外壳、15个功率单元、4个风机、监控器、保护器、PLC及二次回路、外水冷热交换器、触控屏、本安鼠标、外水冷热交换器与隔爆外壳之间采用有防爆结构和密封件的金属法兰连接，功率单元为悬浮系统，安装在SMC材料做成的绝缘支架上，位于风机和热交换器中间，热交换器紧贴在SMC支架上且保持和功率单元之间10CM间隙，风机位于功率单元前的空腔内，风机运行时吸走空腔内空气，强迫风流从热交换器中流到功率单元形成强迫高速风流。本实用新型能适用于具有爆炸性粉尘的工厂，以及富有爆炸性气体的石油、煤矿等场合。
【专利说明】
6kV级联式隔爆兼本质安全型高压变频器
技术领域
[0001]本实用新型涉及高压变频器领域，具体涉及一种6kV级联式隔爆兼本质安全型高压变频器。
【背景技术】
[0002]随着生产力的发展，作为主要动力设备的电机朝着高压大功率方向发展，而高压大功率电机普遍存在功率因数低、起动困难等问题，且很多场合需要调速控制以实现节能目的。高压变频器具有大力矩输出、高输出效率及优异的变频调速性能可很好的解决上述问题。虽然在普通应用场合，高压变频器得到了较为广泛的应用，但是在富有爆炸性粉尘或气体的特殊场合，这些变频器将无法使用。
[0003]由于IGBT技术的制约，单个耐压能力不能适用于6kV以上(包含6kV)的高压变频器，需要多个功率单元串联来实现高压输出，所以其在密闭空间中的散热问题将变得得十分的困难。由于每个功率单元具有电压差，且是悬浮系统，所以低压防爆变频(1140V及以下)的散热方式将不再适用。
【实用新型内容】
[0004]为解决上述问题，本实用新型提供了一种6kV级联式隔爆兼本质安全型高压变频器，能适用于具有爆炸性粉尘的工厂，以及富有爆炸性气体的石油、煤矿等场合。
[0005]为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为:
[0006]6kV级联式隔爆兼本质安全型高压变频器，包括隔爆外壳、15个功率单元、4个风机、监控器、保护器、PLC及二次回路、外水冷热交换器、触控屏、本安鼠标、外水冷热交换器与隔爆外壳之间采用有防爆结构和密封件的金属法兰连接，功率单元为悬浮系统，安装在SMC材料做成的绝缘支架上，位于风机和热交换器中间，热交换器紧贴在SMC支架上且保持和功率单元之间1CM间隙，风机位于功率单元前的空腔内，风机运行时吸走空腔内空气，强迫风流从热交换器中流到功率单元形成强迫高速风流，隔爆外壳内设有高压接线腔、三芯高压接线柱、功率单元腔、控制腔、本安鼠标腔、二次接线腔和高压电缆输入输出喇叭口，高压电缆由喇叭口引入高压接线腔，经三芯高压接线柱引入到功率单元腔，二次回路本安引线由控制腔进过二次接线腔上的9芯端子接入到接线腔，通过接线腔上A5小喇叭口输出到外部，本安鼠标安装在鼠标仓上，引线经仓内喇叭口引入到鼠标仓后面接线腔并通过7芯端子接入到控制腔，多组串联的功率单元分别与三芯接线柱相连，所述监控器包含双DSP的CPU单元，双DSP的CPU单元还连接有一相控控制单元，相控控制单元还连接一 PffM控制器，多组串联的功率单元分别通过两根光纤与PWM控制器的光发送端口和光接收端口相连接，双DSP的CPU单元连接一触摸屏，触摸屏连接本安鼠标电磁隔离栅和PLC控制器，本安鼠标电磁隔离栅连接本安鼠标，控制腔内还安装有保护器。
[0007]作为优选，所述外水冷热交换器为矩形体，包括薄铝片、100根细铜管和两根3.5寸钢管，薄铝片以2MM的间距压制在100根细铜管上，100根细铜管焊接在两根3.5寸钢管上，分别作为冷却水的进水口和出水口，进水口上安装有一压力传感器，用于检测水压，防止断水。
[0008]作为优选，每一组功率单元均为三电平单相输出，为各功率单元供电的供电电源相互独立、相互隔离，与各功率单元的三电平单相一一对应、连接在一起，使多组串联的功率单元最终形成星形连接方式的为高压电动机提供可变频变压的高压交流电。
[0009]作为优选，每一组功率单元分别包括一功率单元控制板，所述HVM控制器的光发送端口连接其内部一控制信号处理电路的输入端，所述控制信号处理电路的输出端连接其内部的IGBT监控模块输入端，IGBT监控模块的控制信号用于触发IGBT，所述IGBT的监控模块接收IGBT状态信号并输出到应答信号处理电路，所述应答信号处理电路输出端通过光纤连接到PffM控制器的光接收端口。
[0010]作为优选，每个功率单元都具备过温检测，防止由于散热性系统失效导致的IGBT过热爆炸。
[0011]作为优选，每个功率单元供电电压存在相位差，分别为-20°、-10°、0、+ 10°、+20°，用于消除谐波。
[0012]本实用新型具有以下有益效果:
[0013](I)将变频器芯体封闭在符合防爆要求的隔爆外壳体中，所有门等活动部件均有防爆面，腔体内可燃气体爆炸时，可以有效降低火焰温度，不点燃壳体外部可燃燃气体，防爆效果好。所有外联信号均为本质安全电路，短路时也不会点燃外界可燃气体。
[0014](2)使用非接触式水冷+内循环强迫风冷散热结构，解决高电压悬浮系统在密闭腔体中的散热难问题，安全且散热效果好。水冷装置上安装有压力传感器，可防止无水或水路堵塞。
[0015](3)采用多脉冲整流、多重化PWM、单元串联叠加的多电平拓扑结构，具有高功率因数、低谐波污染的特点，输入和输出电流波形均接近正弦波。功率单元与控制单元通过光纤连接，控制信号经过光纤传送，既有高的电隔离能力，又有高的抗电磁干扰性能。
[0016](4)采用独立保护装置，可实现短路、过载、过压、欠压、断相、绝缘监视、无循环水、接地故障等保护，再加上变频芯体本身具备的保护功能，使得系统非常安全。
【附图说明】
[0017]图1为本实用新型实施例6kV级联式隔爆兼本质安全型高压变频器的内部结构主视示意图
[0018]图2为本实用新型实施例6kV级联式隔爆兼本质安全型高压变频器的内部结构侧视示意图
[0019]图3为本实用新型实施例6kV级联式隔爆兼本质安全型高压变频器中控制面板示意图
[0020]图4为本实用新型实施例6kV级联式隔爆兼本质安全型高压变频器中隔爆外壳背视示意图
[0021]图5为本实用新型实施例6kV级联式隔爆兼本质安全型高压变频器中本安鼠标仓示意图。
[0022]图6为本实用新型实施例6kV级联式隔爆兼本质安全型高压变频器中本安鼠标仓正面图。
[0023]图7为本实用新型实施例控制单元的结构示意图。
[0024]图8为本实用新型实施例控制单元的控制原理图。
【具体实施方式】
[0025]为了使本实用新型的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0026]如图1-5所示，本实用新型实施例提供了6kV级联式隔爆兼本质安全型高压变频器，包括隔爆外壳100、15个功率单元200、4个风机300、监控器400、保护器500、PLC及二次回路600，外水冷热交换器700，触控屏800，本安鼠标900，外水冷热交换器700与隔爆外壳100之间采用有防爆结构和密封件的金属法兰连接，功率单元200为悬浮系统，安装在SMC材料做成的绝缘支架上，位于风机300和热交换器700中间，热交换器700紧贴在SMC支架上且保持和功率单元200之间1CM间隙，风机300位于功率单元200前的空腔内，风机300运行时吸走空腔内空气，强迫风流从热交换器700中流到功率单元200形成强迫高速风流，隔爆外壳内设有高压接线腔101、三芯高压接线柱102、功率单元腔103、控制腔104、本安鼠标腔105、二次接线腔106和高压电缆输入输出喇叭口 107，高压电缆由喇叭口 107引入高压接线腔101，经三芯高压接线柱102引入到功率单元腔103，二次回路本安引线由控制腔104进过二次接线腔106上的9芯端子接入到接线腔106，通过接线腔106上A5小喇叭口输出到外部，本安鼠标900安装在鼠标仓105上，引线经仓内喇叭口 1051引入到鼠标仓后面接线腔1052并通过7芯端子1053接入到控制腔104，多组串联的功率单元200分别与三芯接线柱102相连，所述监控器400包含双DSP的CPU单元401，双DSP的CPU单元401还连接有一相控控制单元402，相控控制单元402还连接一Pmi控制器403，多组串联的功率单元200分别通过两根光纤与PWM控制器403的光发送端口和光接收端口相连接，双DSP的CPU单元401连接一触摸屏800，触摸屏800连接本安鼠标电磁隔尚栅901和PLC控制器600，本安鼠标电磁隔尚栅901连接本安鼠标900，控制腔内还安装有保护器500。
[0027]所述外水冷热交换器700为矩形体，包括薄铝片、100根细铜管和两根3.5寸钢管，薄铝片以2MM的间距压制在100根细铜管上，100根细铜管焊接在两根3.5寸钢管上，分别作为冷却水的进水口和出水口，进水口上安装有一压力传感器，用于检测水压，防止断水。
[0028]每一组功率单元200均为三电平单相输出，为各功率单元210供电的供电电源相互独立、相互隔离，与各功率单元200的三电平单相一一对应、连接在一起，使多组串联的功率单元200最终形成星形连接方式的为高压电动机提供可变频变压的高压交流电。
[0029]每一组功率单元200分别包括一功率单元控制板201，所述PffM控制器403的光发送端口连接其内部一控制信号处理电路201a的输入端，所述控制信号处理电路201a的输出端连接其内部的IGBT监控模块201c输入端，IGBT监控模块201c的控制信号用于触发IGBT，所述IGBT的监控模块201c接收IGBT状态信号并输出到应答信号处理电路201b，所述应答信号处理电路201b输出端通过光纤连接到PffM控制器403的光接收端口。
[0030]每个功率单元都具备过温检测，防止由于散热性系统失效导致的IGBT过热爆炸。
[0031]每个功率单元供电电压存在相位差，分别为-20°,-10°、0、+10°、+20°，用于消除谐波。
[0032]实施例
[0033]取多组串联的功率单元210的组数为五组，电源回路为6000V的高压交流电。则设定所述每组功率单元210输出的电压幅值为±693.5V的脉冲波形，相邻功率单元之间的脉冲在时间上相差1/5个开关周期。所述相控控制单元223为一CPLD FPGA可编程模块。所述双DSP的CPU单元222为双32位DSP的CPU单元。
[0034]则本实用新型的工作原理如下:三相高压电经开关进入本实用新型的移相隔离变压器110的高压侧，经过移相隔离变压器110降压、移相，由移相隔离变压器110的低压侧供给功率单元210。5组功率单元210的每相邻功率单元的三相的输出端分别首尾相串，使三相之间最终形成星形连接方式为高压电动机提供可变频变压的高压交流电。
[0035]控制单元220与每组功率单元210之间均采用了两根光纤进行连接和控制。它可以从人机交互操作界面221、I/O接口或通信通道接收操作命令和给定信号，处理后输出电压、频率给定信号给三个相控控制单元223，在那里转换成PffM控制信号，经PffM控制器224的电/光转换器225转换成光信号，从光发送器端口 225c发往各功率单元210。来自功率单元210的应答信息经光/电转换器225转换成电信号，予处理后在双DSP的CPU单元222内集中处理。CPU单元202根据控制命令、给定信号及运行信息、应答信息进行运行控制、状态分析、故障诊断等运算，检测出故障后按故障性质进行故障处理，如封锁系统、高压跳闸等，并给出相应故障信号，还提供故障音响信号。
[0036]参见图5、图6、图7、图8，控制单元220的结构为单元组合式，其核心为双DSP的CPU单元222，通过总线与人机交互操作界面221和相控控制单元223互通信息。从接口子模块可接受操作命令、给定信号、电机电流与电压等。双DSP的CPU单元222根据操作命令、给定信号及其它输入信号，计算出控制信息及状态信息。相控控制单元223接受来自双DSP的CPU单元222的控制信息，产生PffM控制信号，经电/光转换器225，向功率单元210发送控制光信号。来自功率单元210的应答信号在相控控制单元223中转换成电信号，经处理后送双DSP的CPU单元222处理。状态信息可通过接口板和接口子模板送出。
[0037]功率单元210是一种单相桥式变换器，由输入切分变压器的副边绕组供电。经整流、滤波后由4个IGBT以PWM方法进行控制，输出可变频、变压的交流电。多台功率单元210串联叠加后可输出50HZ、线电压6kV的三相交流电，以驱动交流电动机。柜内装有输出电压和电流的检测装置，检测到的信号送主控制器处理。功率单元配有集中冷却风机，冷却IGBT等半导体器件。来自主控制器的控制信号和送往主控制器的应答信号都经过光缆传送，既有高的电隔离能力，又有高的抗电磁干扰性能。
[0038]以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
【主权项】
1.6kV级联式隔爆兼本质安全型高压变频器，其特征在于，包括隔爆外壳、15个功率单元、4个风机、监控器、保护器、PLC及二次回路、外水冷热交换器、触控屏、本安鼠标、外水冷热交换器与隔爆外壳之间采用有防爆结构和密封件的金属法兰连接，功率单元为悬浮系统，安装在SMC材料做成的绝缘支架上，位于风机和热交换器中间，热交换器紧贴在SMC支架上且保持和功率单元之间1CM间隙，风机位于功率单元前的空腔内，风机运行时吸走空腔内空气，强迫风流从热交换器中流到功率单元形成强迫高速风流，隔爆外壳内设有高压接线腔、三芯高压接线柱、功率单元腔、控制腔、本安鼠标腔、二次接线腔和高压电缆输入输出喇叭口，高压电缆由喇叭口引入高压接线腔，经三芯高压接线柱引入到功率单元腔，二次回路本安引线由控制腔进过二次接线腔上的9芯端子接入到接线腔，通过接线腔上A5小喇叭口输出到外部，本安鼠标安装在鼠标仓上，引线经仓内喇叭口引入到鼠标仓后面接线腔并通过7芯端子接入到控制腔，多组串联的功率单元分别与三芯接线柱相连，所述监控器包含双DSP的CPU单元，双DSP的CPU单元还连接有一相控控制单元，相控控制单元还连接一 PffM控制器，多组串联的功率单元分别通过两根光纤与PWM控制器的光发送端口和光接收端口相连接，双DSP的CPU单元连接一触摸屏，触摸屏连接本安鼠标电磁隔离栅和PLC控制器，本安鼠标电磁隔离栅连接本安鼠标，控制腔内还安装有保护器。2.根据权利要求1所述的6kV级联式隔爆兼本质安全型高压变频器，其特征在于，所述外水冷热交换器为矩形体，包括薄铝片、100根细铜管和两根3.5寸钢管，薄铝片以2MM的间距压制在100根细铜管上，100根细铜管焊接在两根3.5寸钢管上，分别作为冷却水的进水口和出水口，进水口上安装有一压力传感器。3.根据权利要求1所述的6kV级联式隔爆兼本质安全型高压变频器，其特征在于，每一组功率单元均为三电平单相输出，为各功率单元供电的供电电源相互独立、相互隔离，与各功率单元的三电平单相一一对应、连接在一起，使多组串联的功率单元最终形成星形连接方式的为高压电动机提供可变频变压的高压交流电。4.根据权利要求1所述的6kV级联式隔爆兼本质安全型高压变频器，其特征在于，每一组功率单元分别包括一功率单元控制板，所述PWM控制器的光发送端口连接其内部一控制信号处理电路的输入端，所述控制信号处理电路的输出端连接其内部的IGBT监控模块输入端，IGBT监控模块的控制信号用于触发IGBT，所述IGBT的监控模块接收IGBT状态信号并输出到应答信号处理电路，所述应答信号处理电路输出端通过光纤连接到PWM控制器的光接收端口。5.根据权利要求1所述的6kV级联式隔爆兼本质安全型高压变频器，其特征在于，每个功率单元都具备过温检测，防止由于散热性系统失效导致的IGBT过热爆炸。6.根据权利要求1所述的6kV级联式隔爆兼本质安全型高压变频器，其特征在于，每个功率单元供电电压存在相位差，分别为-20° ,-10°、0、+10°、+20°，用于消除谐波。
【文档编号】H05K7/20GK205490161SQ201620026245
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年1月12日
【发明人】刘良勇, 顾林, 张弛
【申请人】上海聚友电气科技发展有限公司