6kV級聯(lián)式隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變頻器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種6kV級聯(lián)式隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變頻器，包括隔爆外殼、15個(gè)功率單元、4個(gè)風(fēng)機(jī)、監(jiān)控器、保護(hù)器、PLC及二次回路、外水冷熱交換器、觸控屏、本安鼠標(biāo)、外水冷熱交換器與隔爆外殼之間采用有防爆結(jié)構(gòu)和密封件的金屬法蘭連接，功率單元為懸浮系統(tǒng)，安裝在SMC材料做成的絕緣支架上，位于風(fēng)機(jī)和熱交換器中間，熱交換器緊貼在SMC支架上且保持和功率單元之間10CM間隙，風(fēng)機(jī)位于功率單元前的空腔內(nèi)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)吸走空腔內(nèi)空氣，強(qiáng)迫風(fēng)流從熱交換器中流到功率單元形成強(qiáng)迫高速風(fēng)流。本實(shí)用新型能適用于具有爆炸性粉塵的工廠，以及富有爆炸性氣體的石油、煤礦等場合。
【專利說明】
6kV級聯(lián)式隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變頻器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及高壓變頻器領(lǐng)域，具體涉及一種6kV級聯(lián)式隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變頻器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，作為主要動力設(shè)備的電機(jī)朝著高壓大功率方向發(fā)展，而高壓大功率電機(jī)普遍存在功率因數(shù)低、起動困難等問題，且很多場合需要調(diào)速控制以實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。高壓變頻器具有大力矩輸出、高輸出效率及優(yōu)異的變頻調(diào)速性能可很好的解決上述問題。雖然在普通應(yīng)用場合，高壓變頻器得到了較為廣泛的應(yīng)用，但是在富有爆炸性粉塵或氣體的特殊場合，這些變頻器將無法使用。
[0003]由于IGBT技術(shù)的制約，單個(gè)耐壓能力不能適用于6kV以上(包含6kV)的高壓變頻器，需要多個(gè)功率單元串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)高壓輸出，所以其在密閉空間中的散熱問題將變得得十分的困難。由于每個(gè)功率單元具有電壓差，且是懸浮系統(tǒng)，所以低壓防爆變頻(1140V及以下)的散熱方式將不再適用。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]為解決上述問題，本實(shí)用新型提供了一種6kV級聯(lián)式隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變頻器，能適用于具有爆炸性粉塵的工廠，以及富有爆炸性氣體的石油、煤礦等場合。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案為:
[0006]6kV級聯(lián)式隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變頻器，包括隔爆外殼、15個(gè)功率單元、4個(gè)風(fēng)機(jī)、監(jiān)控器、保護(hù)器、PLC及二次回路、外水冷熱交換器、觸控屏、本安鼠標(biāo)、外水冷熱交換器與隔爆外殼之間采用有防爆結(jié)構(gòu)和密封件的金屬法蘭連接，功率單元為懸浮系統(tǒng)，安裝在SMC材料做成的絕緣支架上，位于風(fēng)機(jī)和熱交換器中間，熱交換器緊貼在SMC支架上且保持和功率單元之間1CM間隙，風(fēng)機(jī)位于功率單元前的空腔內(nèi)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)吸走空腔內(nèi)空氣，強(qiáng)迫風(fēng)流從熱交換器中流到功率單元形成強(qiáng)迫高速風(fēng)流，隔爆外殼內(nèi)設(shè)有高壓接線腔、三芯高壓接線柱、功率單元腔、控制腔、本安鼠標(biāo)腔、二次接線腔和高壓電纜輸入輸出喇叭口，高壓電纜由喇叭口引入高壓接線腔，經(jīng)三芯高壓接線柱引入到功率單元腔，二次回路本安引線由控制腔進(jìn)過二次接線腔上的9芯端子接入到接線腔，通過接線腔上A5小喇叭口輸出到外部，本安鼠標(biāo)安裝在鼠標(biāo)倉上，引線經(jīng)倉內(nèi)喇叭口引入到鼠標(biāo)倉后面接線腔并通過7芯端子接入到控制腔，多組串聯(lián)的功率單元分別與三芯接線柱相連，所述監(jiān)控器包含雙DSP的CPU單元，雙DSP的CPU單元還連接有一相控控制單元，相控控制單元還連接一 PffM控制器，多組串聯(lián)的功率單元分別通過兩根光纖與PWM控制器的光發(fā)送端口和光接收端口相連接，雙DSP的CPU單元連接一觸摸屏，觸摸屏連接本安鼠標(biāo)電磁隔離柵和PLC控制器，本安鼠標(biāo)電磁隔離柵連接本安鼠標(biāo)，控制腔內(nèi)還安裝有保護(hù)器。
[0007]作為優(yōu)選，所述外水冷熱交換器為矩形體，包括薄鋁片、100根細(xì)銅管和兩根3.5寸鋼管，薄鋁片以2MM的間距壓制在100根細(xì)銅管上，100根細(xì)銅管焊接在兩根3.5寸鋼管上，分別作為冷卻水的進(jìn)水口和出水口，進(jìn)水口上安裝有一壓力傳感器，用于檢測水壓，防止斷水。
[0008]作為優(yōu)選，每一組功率單元均為三電平單相輸出，為各功率單元供電的供電電源相互獨(dú)立、相互隔離，與各功率單元的三電平單相一一對應(yīng)、連接在一起，使多組串聯(lián)的功率單元最終形成星形連接方式的為高壓電動機(jī)提供可變頻變壓的高壓交流電。
[0009]作為優(yōu)選，每一組功率單元分別包括一功率單元控制板，所述HVM控制器的光發(fā)送端口連接其內(nèi)部一控制信號處理電路的輸入端，所述控制信號處理電路的輸出端連接其內(nèi)部的IGBT監(jiān)控模塊輸入端，IGBT監(jiān)控模塊的控制信號用于觸發(fā)IGBT，所述IGBT的監(jiān)控模塊接收IGBT狀態(tài)信號并輸出到應(yīng)答信號處理電路，所述應(yīng)答信號處理電路輸出端通過光纖連接到PffM控制器的光接收端口。
[0010]作為優(yōu)選，每個(gè)功率單元都具備過溫檢測，防止由于散熱性系統(tǒng)失效導(dǎo)致的IGBT過熱爆炸。
[0011]作為優(yōu)選，每個(gè)功率單元供電電壓存在相位差，分別為-20°、-10°、0、+ 10°、+20°，用于消除諧波。
[0012]本實(shí)用新型具有以下有益效果:
[0013](I)將變頻器芯體封閉在符合防爆要求的隔爆外殼體中，所有門等活動部件均有防爆面，腔體內(nèi)可燃?xì)怏w爆炸時(shí)，可以有效降低火焰溫度，不點(diǎn)燃?xì)んw外部可燃燃?xì)怏w，防爆效果好。所有外聯(lián)信號均為本質(zhì)安全電路，短路時(shí)也不會點(diǎn)燃外界可燃?xì)怏w。
[0014](2)使用非接觸式水冷+內(nèi)循環(huán)強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)，解決高電壓懸浮系統(tǒng)在密閉腔體中的散熱難問題，安全且散熱效果好。水冷裝置上安裝有壓力傳感器，可防止無水或水路堵塞。
[0015](3)采用多脈沖整流、多重化PWM、單元串聯(lián)疊加的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有高功率因數(shù)、低諧波污染的特點(diǎn)，輸入和輸出電流波形均接近正弦波。功率單元與控制單元通過光纖連接，控制信號經(jīng)過光纖傳送，既有高的電隔離能力，又有高的抗電磁干擾性能。
[0016](4)采用獨(dú)立保護(hù)裝置，可實(shí)現(xiàn)短路、過載、過壓、欠壓、斷相、絕緣監(jiān)視、無循環(huán)水、接地故障等保護(hù)，再加上變頻芯體本身具備的保護(hù)功能，使得系統(tǒng)非常安全。
【附圖說明】
[0017]圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例6kV級聯(lián)式隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變頻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主視示意圖
[0018]圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例6kV級聯(lián)式隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變頻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)側(cè)視示意圖
[0019]圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例6kV級聯(lián)式隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變頻器中控制面板示意圖
[0020]圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例6kV級聯(lián)式隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變頻器中隔爆外殼背視示意圖
[0021]圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例6kV級聯(lián)式隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變頻器中本安鼠標(biāo)倉示意圖。
[0022]圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例6kV級聯(lián)式隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變頻器中本安鼠標(biāo)倉正面圖。
[0023]圖7為本實(shí)用新型實(shí)施例控制單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖8為本實(shí)用新型實(shí)施例控制單元的控制原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]為了使本實(shí)用新型的目的及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。
[0026]如圖1-5所示，本實(shí)用新型實(shí)施例提供了6kV級聯(lián)式隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變頻器，包括隔爆外殼100、15個(gè)功率單元200、4個(gè)風(fēng)機(jī)300、監(jiān)控器400、保護(hù)器500、PLC及二次回路600，外水冷熱交換器700，觸控屏800，本安鼠標(biāo)900，外水冷熱交換器700與隔爆外殼100之間采用有防爆結(jié)構(gòu)和密封件的金屬法蘭連接，功率單元200為懸浮系統(tǒng)，安裝在SMC材料做成的絕緣支架上，位于風(fēng)機(jī)300和熱交換器700中間，熱交換器700緊貼在SMC支架上且保持和功率單元200之間1CM間隙，風(fēng)機(jī)300位于功率單元200前的空腔內(nèi)，風(fēng)機(jī)300運(yùn)行時(shí)吸走空腔內(nèi)空氣，強(qiáng)迫風(fēng)流從熱交換器700中流到功率單元200形成強(qiáng)迫高速風(fēng)流，隔爆外殼內(nèi)設(shè)有高壓接線腔101、三芯高壓接線柱102、功率單元腔103、控制腔104、本安鼠標(biāo)腔105、二次接線腔106和高壓電纜輸入輸出喇叭口 107，高壓電纜由喇叭口 107引入高壓接線腔101，經(jīng)三芯高壓接線柱102引入到功率單元腔103，二次回路本安引線由控制腔104進(jìn)過二次接線腔106上的9芯端子接入到接線腔106，通過接線腔106上A5小喇叭口輸出到外部，本安鼠標(biāo)900安裝在鼠標(biāo)倉105上，引線經(jīng)倉內(nèi)喇叭口 1051引入到鼠標(biāo)倉后面接線腔1052并通過7芯端子1053接入到控制腔104，多組串聯(lián)的功率單元200分別與三芯接線柱102相連，所述監(jiān)控器400包含雙DSP的CPU單元401，雙DSP的CPU單元401還連接有一相控控制單元402，相控控制單元402還連接一Pmi控制器403，多組串聯(lián)的功率單元200分別通過兩根光纖與PWM控制器403的光發(fā)送端口和光接收端口相連接，雙DSP的CPU單元401連接一觸摸屏800，觸摸屏800連接本安鼠標(biāo)電磁隔尚柵901和PLC控制器600，本安鼠標(biāo)電磁隔尚柵901連接本安鼠標(biāo)900，控制腔內(nèi)還安裝有保護(hù)器500。
[0027]所述外水冷熱交換器700為矩形體，包括薄鋁片、100根細(xì)銅管和兩根3.5寸鋼管，薄鋁片以2MM的間距壓制在100根細(xì)銅管上，100根細(xì)銅管焊接在兩根3.5寸鋼管上，分別作為冷卻水的進(jìn)水口和出水口，進(jìn)水口上安裝有一壓力傳感器，用于檢測水壓，防止斷水。
[0028]每一組功率單元200均為三電平單相輸出，為各功率單元210供電的供電電源相互獨(dú)立、相互隔離，與各功率單元200的三電平單相一一對應(yīng)、連接在一起，使多組串聯(lián)的功率單元200最終形成星形連接方式的為高壓電動機(jī)提供可變頻變壓的高壓交流電。
[0029]每一組功率單元200分別包括一功率單元控制板201，所述PffM控制器403的光發(fā)送端口連接其內(nèi)部一控制信號處理電路201a的輸入端，所述控制信號處理電路201a的輸出端連接其內(nèi)部的IGBT監(jiān)控模塊201c輸入端，IGBT監(jiān)控模塊201c的控制信號用于觸發(fā)IGBT，所述IGBT的監(jiān)控模塊201c接收IGBT狀態(tài)信號并輸出到應(yīng)答信號處理電路201b，所述應(yīng)答信號處理電路201b輸出端通過光纖連接到PffM控制器403的光接收端口。
[0030]每個(gè)功率單元都具備過溫檢測，防止由于散熱性系統(tǒng)失效導(dǎo)致的IGBT過熱爆炸。
[0031]每個(gè)功率單元供電電壓存在相位差，分別為-20°,-10°、0、+10°、+20°，用于消除諧波。
[0032]實(shí)施例
[0033]取多組串聯(lián)的功率單元210的組數(shù)為五組，電源回路為6000V的高壓交流電。則設(shè)定所述每組功率單元210輸出的電壓幅值為±693.5V的脈沖波形，相鄰功率單元之間的脈沖在時(shí)間上相差1/5個(gè)開關(guān)周期。所述相控控制單元223為一CPLD FPGA可編程模塊。所述雙DSP的CPU單元222為雙32位DSP的CPU單元。
[0034]則本實(shí)用新型的工作原理如下:三相高壓電經(jīng)開關(guān)進(jìn)入本實(shí)用新型的移相隔離變壓器110的高壓側(cè)，經(jīng)過移相隔離變壓器110降壓、移相，由移相隔離變壓器110的低壓側(cè)供給功率單元210。5組功率單元210的每相鄰功率單元的三相的輸出端分別首尾相串，使三相之間最終形成星形連接方式為高壓電動機(jī)提供可變頻變壓的高壓交流電。
[0035]控制單元220與每組功率單元210之間均采用了兩根光纖進(jìn)行連接和控制。它可以從人機(jī)交互操作界面221、I/O接口或通信通道接收操作命令和給定信號，處理后輸出電壓、頻率給定信號給三個(gè)相控控制單元223，在那里轉(zhuǎn)換成PffM控制信號，經(jīng)PffM控制器224的電/光轉(zhuǎn)換器225轉(zhuǎn)換成光信號，從光發(fā)送器端口 225c發(fā)往各功率單元210。來自功率單元210的應(yīng)答信息經(jīng)光/電轉(zhuǎn)換器225轉(zhuǎn)換成電信號，予處理后在雙DSP的CPU單元222內(nèi)集中處理。CPU單元202根據(jù)控制命令、給定信號及運(yùn)行信息、應(yīng)答信息進(jìn)行運(yùn)行控制、狀態(tài)分析、故障診斷等運(yùn)算，檢測出故障后按故障性質(zhì)進(jìn)行故障處理，如封鎖系統(tǒng)、高壓跳閘等，并給出相應(yīng)故障信號，還提供故障音響信號。
[0036]參見圖5、圖6、圖7、圖8，控制單元220的結(jié)構(gòu)為單元組合式，其核心為雙DSP的CPU單元222，通過總線與人機(jī)交互操作界面221和相控控制單元223互通信息。從接口子模塊可接受操作命令、給定信號、電機(jī)電流與電壓等。雙DSP的CPU單元222根據(jù)操作命令、給定信號及其它輸入信號，計(jì)算出控制信息及狀態(tài)信息。相控控制單元223接受來自雙DSP的CPU單元222的控制信息，產(chǎn)生PffM控制信號，經(jīng)電/光轉(zhuǎn)換器225，向功率單元210發(fā)送控制光信號。來自功率單元210的應(yīng)答信號在相控控制單元223中轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)處理后送雙DSP的CPU單元222處理。狀態(tài)信息可通過接口板和接口子模板送出。
[0037]功率單元210是一種單相橋式變換器，由輸入切分變壓器的副邊繞組供電。經(jīng)整流、濾波后由4個(gè)IGBT以PWM方法進(jìn)行控制，輸出可變頻、變壓的交流電。多臺功率單元210串聯(lián)疊加后可輸出50HZ、線電壓6kV的三相交流電，以驅(qū)動交流電動機(jī)。柜內(nèi)裝有輸出電壓和電流的檢測裝置，檢測到的信號送主控制器處理。功率單元配有集中冷卻風(fēng)機(jī)，冷卻IGBT等半導(dǎo)體器件。來自主控制器的控制信號和送往主控制器的應(yīng)答信號都經(jīng)過光纜傳送，既有高的電隔離能力，又有高的抗電磁干擾性能。
[0038]以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.6kV級聯(lián)式隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變頻器，其特征在于，包括隔爆外殼、15個(gè)功率單元、4個(gè)風(fēng)機(jī)、監(jiān)控器、保護(hù)器、PLC及二次回路、外水冷熱交換器、觸控屏、本安鼠標(biāo)、外水冷熱交換器與隔爆外殼之間采用有防爆結(jié)構(gòu)和密封件的金屬法蘭連接，功率單元為懸浮系統(tǒng)，安裝在SMC材料做成的絕緣支架上，位于風(fēng)機(jī)和熱交換器中間，熱交換器緊貼在SMC支架上且保持和功率單元之間1CM間隙，風(fēng)機(jī)位于功率單元前的空腔內(nèi)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)吸走空腔內(nèi)空氣，強(qiáng)迫風(fēng)流從熱交換器中流到功率單元形成強(qiáng)迫高速風(fēng)流，隔爆外殼內(nèi)設(shè)有高壓接線腔、三芯高壓接線柱、功率單元腔、控制腔、本安鼠標(biāo)腔、二次接線腔和高壓電纜輸入輸出喇叭口，高壓電纜由喇叭口引入高壓接線腔，經(jīng)三芯高壓接線柱引入到功率單元腔，二次回路本安引線由控制腔進(jìn)過二次接線腔上的9芯端子接入到接線腔，通過接線腔上A5小喇叭口輸出到外部，本安鼠標(biāo)安裝在鼠標(biāo)倉上，引線經(jīng)倉內(nèi)喇叭口引入到鼠標(biāo)倉后面接線腔并通過7芯端子接入到控制腔，多組串聯(lián)的功率單元分別與三芯接線柱相連，所述監(jiān)控器包含雙DSP的CPU單元，雙DSP的CPU單元還連接有一相控控制單元，相控控制單元還連接一 PffM控制器，多組串聯(lián)的功率單元分別通過兩根光纖與PWM控制器的光發(fā)送端口和光接收端口相連接，雙DSP的CPU單元連接一觸摸屏，觸摸屏連接本安鼠標(biāo)電磁隔離柵和PLC控制器，本安鼠標(biāo)電磁隔離柵連接本安鼠標(biāo)，控制腔內(nèi)還安裝有保護(hù)器。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的6kV級聯(lián)式隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變頻器，其特征在于，所述外水冷熱交換器為矩形體，包括薄鋁片、100根細(xì)銅管和兩根3.5寸鋼管，薄鋁片以2MM的間距壓制在100根細(xì)銅管上，100根細(xì)銅管焊接在兩根3.5寸鋼管上，分別作為冷卻水的進(jìn)水口和出水口，進(jìn)水口上安裝有一壓力傳感器。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的6kV級聯(lián)式隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變頻器，其特征在于，每一組功率單元均為三電平單相輸出，為各功率單元供電的供電電源相互獨(dú)立、相互隔離，與各功率單元的三電平單相一一對應(yīng)、連接在一起，使多組串聯(lián)的功率單元最終形成星形連接方式的為高壓電動機(jī)提供可變頻變壓的高壓交流電。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的6kV級聯(lián)式隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變頻器，其特征在于，每一組功率單元分別包括一功率單元控制板，所述PWM控制器的光發(fā)送端口連接其內(nèi)部一控制信號處理電路的輸入端，所述控制信號處理電路的輸出端連接其內(nèi)部的IGBT監(jiān)控模塊輸入端，IGBT監(jiān)控模塊的控制信號用于觸發(fā)IGBT，所述IGBT的監(jiān)控模塊接收IGBT狀態(tài)信號并輸出到應(yīng)答信號處理電路，所述應(yīng)答信號處理電路輸出端通過光纖連接到PWM控制器的光接收端口。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的6kV級聯(lián)式隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變頻器，其特征在于，每個(gè)功率單元都具備過溫檢測，防止由于散熱性系統(tǒng)失效導(dǎo)致的IGBT過熱爆炸。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的6kV級聯(lián)式隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變頻器，其特征在于，每個(gè)功率單元供電電壓存在相位差，分別為-20° ,-10°、0、+10°、+20°，用于消除諧波。
【文檔編號】H05K7/20GK205490161SQ201620026245
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年1月12日
【發(fā)明人】劉良勇, 顧林, 張弛
【申請人】上海聚友電氣科技發(fā)展有限公司