CN102307000A - 矿用隔爆型高压变频器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种矿用隔爆型高压变频器，包括移相变压器单元隔爆箱和功率单元隔爆箱，移相变压器单元隔爆箱内设置有移相隔离变压器和散热系统，功率单元隔爆箱内设置有多组串联的功率单元以及控制单元和散热系统。移相隔离变压器的高压侧串联在三相高压电网中，多组串联的功率单元分别与移相隔离变压器的低压侧相连接，功率单元与控制单元之间通过光纤连接。本发明的移相变压器单元隔爆箱和功率单元隔爆箱的各装配结合面的密封结构的设置使外界环境与其相互隔离，避免相类似煤矿等这种高危场合发生相应的连锁爆炸，防爆效果好；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。

Description

矿用隔爆型高压变频器

技术领域

本发明涉及高压变频器，具体来讲是涉及一种矿用隔爆型高压变频器。

背景技术

目前，在一些高危场合，如煤矿、化工厂、炼油厂等经常需要使用大功率电动机。而大功率电动机在起动期间的功率因数很低，电压波动明显，这将对电网造成极大危害。这种类型的破坏，会降低电网上其它电力设备的运行效率，降低设备的使用寿命；其次，当瞬变电压出现时，会使电动机产生震动、噪音以及过多的热量。同样，瞬变产生的浪涌，会使电网的用电效率严重下降，感性负载的电流损失增加。

随着现代电力电子的发展和自动化，智能化程度的提高，采用高压变频器对大功率负载进行起动过程、调速过程中的速度控制，不但对改进工艺、提高产品质量有好处，又是节能和设备经济运行的要求，是可持续发展的必然趋势。因此，变频调速以其高效率，高功率因数，以及优异的调速和启制动性能等诸多优点而被国内外公认为最有发展前途的控制方式。

但是，现有技术的高压变频器均不具有矿用隔爆功能，不能应用于如煤矿、石油、化工等高危险场所。

发明内容

针对上述情况，本发明提供一种矿用隔爆型高压变频器，以解决现有技术的高压变频器因不具有隔爆功能而不能应用于煤矿、石油、化工等高危场所的问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

矿用隔爆型高压变频器，其特征在于，包括一移相变压器单元隔爆箱、一功率单元隔爆箱、一冷却循环系统隔爆箱和一散热器；所述移相变压器单元隔爆箱内设置有一移相隔离变压器和一套散热系统，所述功率单元隔爆箱内设置有多组串联的功率单元以及一控制单元和一套散热系统；

所述移相变压器单元隔爆箱内设置的一套散热系统与所述冷却循环系统隔爆箱连接；所述功率单元隔爆箱内设置的一套散热系统也与所述冷却循环系统隔爆箱连接；所述冷却循环系统隔爆箱与所述散热器连接；

所述移相隔离变压器的高压侧连接在三相高压电网中，所述多组串联的功率单元分别与移相隔离变压器的低压侧相连接，所述功率单元与控制单元之间通过光纤连接。

进一步，所述冷却循环系统隔爆箱与移相变压器单元隔爆箱内设置的一套散热系统、功率单元隔爆箱内设置的一套散热系统以及散热器之间的连接管道均为金属管。

进一步，所述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移相隔离变压器的低压侧的各个副边绕组相互独立、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。

进一步，所述控制单元包括一人机交互操作界面，所述人机交互操作界面与一个双DSP的CPU单元相连接，所述双DSP的CPU单元还连接一相控控制单元，所述相控控制单元还连接一PWM控制器，所述PWM控制器包括一电/光转换器，所述多组串联的功率单元分别通过两根光纤与PWM控制器的电/光转换器相应的光发送端口和光接收端口相连接。

进一步，所述每一组功率单元分别包括一功率单元控制板，所述电/光转换器的光发送端口连接功率单元控制板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功率单元控制板内部的IGBT和SCR触发模块的输入端，所述IGBT和SCR触发模块还设置有向功率单元发出反馈信息的反馈信息端；所述电/光转换器的光接收端口连接功率单元控制板内部的应答信号处理电路的输出端，所述应答信号处理电路还设置有接收由功率单元发出的状态信息的输入端。

进一步，所述多组串联的功率单元的组数为五组；所述每组功率单元输出的电压幅值为±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。

进一步，所述相控控制单元为一CPLD FPGA可编程模块。

进一步，所述双DSP的CPU单元为双32位DSP的CPU单元。

进一步，所述移相变压器单元隔爆箱包括一隔爆腔和该隔爆腔一侧的接线腔，所述一移相隔离变压器和一套散热系统设置于隔爆腔内，所述散热系统放置于隔爆腔的与接线腔不相邻的内腔壁前，所述接线腔和隔爆腔之间的腔壁上设置有多个用于连接移相隔离变压器和电源的主回路以及多组串联的功率单元的接线柱，所述接线柱与腔壁之间设置有密封结构；所述隔爆腔的其他所有装配结合处均设置有密封结构；所述接线腔的其他所有装配结合面也均设置有密封结构。

进一步，所述功率单元隔爆箱也包括一隔爆腔和该隔爆腔一侧的接线腔，所述多组串联的功率单元以及与之连接的控制单元和一套散热系统均设置于隔爆腔内，所述散热系统放置于隔爆腔的与接线腔不相邻的内腔壁前，所述接线腔和隔爆腔之间的腔壁上设置有多个用于连接多组串联的功率单元与移相隔离变压器的接线柱和多组串联的功率单元为高压电动机提供可变频变压的高压交流电的接线柱，所述接线柱与腔壁之间设置有密封结构；所述隔爆腔的其他所有装配结合处均设置有密封结构，所述接线腔的其他所有装配结合面也均设置有密封结构。

本发明的有益效果是，移相变压器单元隔爆箱和功率单元隔爆箱的各装配结合面的密封结构的设置使外界环境与其相互隔离，因此互不影响；当移相变压器单元隔爆箱或功率单元隔爆箱的腔体内部出现可燃性混合物发生爆炸时，不会影响到另一箱体及外界，从而避免相类似煤矿等这种高危场合发生相应的连锁爆炸，防爆效果好。

另外，本发明采用多脉冲整流、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。本发明同型号变频器中所有的功率单元、电路的拓扑结构相同，这方便了更换，为日后的维护带来快捷和便利。

附图说明

图1为本发明矿用隔爆型高压变频器的移相变压器单元隔爆箱内部装配主视示意图。

图2为本发明矿用隔爆型高压变频器的移相变压器单元隔爆箱内部装配侧视示意图。

图3为本发明矿用隔爆型高压变频器的功率单元隔爆箱内部装配主视示意图。

图4为本发明矿用隔爆型高压变频器的功率单元隔爆箱内部装配侧视示意图。

图5为本发明矿用隔爆型高压变频器的冷却循环系统的管线连接示意图。

图6为本发明矿用隔爆型高压变频器的电气原理示意图。

图7为本发明矿用隔爆型高压变频器的工作流程示意图。

图8为本发明矿用隔爆型高压变频器的功率单元的工作原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参见图1、图2、图3、图4、图5，矿用隔爆型高压变频器，包括一移相变压器单元隔爆箱100、一功率单元隔爆箱200、一冷却循环系统隔爆箱300和一散热器400；所述移相变压器单元隔爆箱100内设置有一移相隔离变压器110和一套散热系统120，所述功率单元隔爆箱200内设置有多组串联的功率单元210以及一控制单元220和一套散热系统230。

所述移相变压器单元隔爆箱100内设置的一套散热系统120与所述冷却循环系统隔爆箱300连接；所述功率单元隔爆箱200内设置的一套散热系统230也与所述冷却循环系统隔爆箱300连接；所述冷却循环系统隔爆箱300与所述散热器400连接；所述冷却循环系统隔爆箱300与移相变压器单元隔爆箱100内设置的一套散热系统120、功率单元隔爆箱200内设置的一套散热系统230以及散热器400之间的连接管道均为金属管。

其中，所述移相变压器单元隔爆箱100包括一隔爆腔101和该隔爆腔一侧的接线腔102，所述一移相隔离变压器110和一套散热系统120设置于隔爆腔101内，所述散热系统120放置于隔爆腔101的与接线腔不相邻的内腔壁前，所述接线腔102和隔爆腔101之间的腔壁上设置有多个用于连接移相隔离变压器110和电源的主回路以及多组串联的功率单元210的接线柱301，所述接线柱301与腔壁之间设置有密封结构；所述隔爆腔101的其他所有装配结合处均设置有密封结构；所述接线腔102的其他所有装配结合面也均设置有密封结构。

所述功率单元隔爆箱200也包括一隔爆腔201和该隔爆腔一侧的接线腔202，所述多组串联的功率单元210以及与之连接的控制单元220和一套散热系统230均设置于隔爆腔201内，所述散热系统230放置于隔爆腔201的与接线腔不相邻的内腔壁前，所述接线腔202和隔爆腔201之间的腔壁上设置有多个用于连接多组串联的功率单元210与移相隔离变压器110的接线柱和多组串联的功率单元210为高压电动机提供可变频变压的高压交流电的接线柱，所述接线柱302与腔壁之间设置有密封结构；所述隔爆腔201的其他所有装配结合处均设置有密封结构，所述接线腔202的其他所有装配结合面也均设置有密封结构。

参见图5，所述移相隔离变压器110的高压侧串联在电源的主回路(即三相高压电网)中，所述多组串联的功率单元210分别与移相隔离变压器110的低压侧相连接，所述功率单元210与控制单元220之间通过光纤连接。

所述每一组功率单元210均为三电平单相输出，为各功率单元210供电的移相隔离变压器110的低压侧的各个副边绕组相互独立、相互隔离，与各功率单元210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210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。

参见图5、图6，所述控制单元220包括一人机交互操作界面221，所述人机交互操作界面221与一个双DSP的CPU单元222相连接，所述双DSP的CPU单元222还连接一相控控制单元223，所述相控控制单元223还连接一PWM控制器224，所述PWM控制器224包括一电/光转换器225，所述多组串联的功率单元210分别通过两根光纤与PWM控制器224的电/光转换器225相应的光发送端口和光接收端口相连接。

参见图6、图7，所述每一组功率单元210分别包括一功率单元控制板211，所述电/光转换器225的光发送端口连接其内部一控制信号处理电路211a的输入端，所述控制信号处理电路211a的输出端连接其内部的IGBT和SCR触发器输入端，所述IGBT和SCR的触发器输出端向功率单元210发出反馈信息，所述电/光转换器225的光接收端口连接其内部的应答信号处理电路211b的输出端，所述应答信号处理电路211b的输入端接收由功率单元210发出的状态信息。

实施例一

取所述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。

则本发明的工作原理如下：三相高压电经开关进入本发明的移相隔离变压器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。

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PWM控制信号，经PWM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222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。从I/O接口可输出运行状态(开关量)及运行参数(模拟量)，用户可根据需要选择输出量。

参见图5、图6、图7，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PWM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。

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。

本发明的交-直变换的实现过程如下：工频高压电源三相6KV、50Hz输入到移相隔离变压器110(三相干式整流变压器)的原边，Y接。副边绕组数量依变频器电压等级及结构而定，3kV系列为9个，6kV系列为15个，延边三角形接法移相，绕组间的相位差均匀分布，消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流，总谐波含量(THD)远小于国家标准5％的要求，并且能保持接近1的输入功率因数。

隔离变压器副边的三相输出，经二极管整流为直流，给贮能电容充电，电容上的电压提供给由IGBT组成的逆变电路。

本发明的直-交变换的实现过程如下：功率控制部分产生的矢量正弦波脉宽调制(PWM)，作用于IGBT的门极导通和关断，使IGBT从贮能电容器上输出脉冲直流电压。

对于6kV系列的高压变频器，每一相的输出由5个功率单元串联(参见图5)，每个功率单元输出的电压幅值为±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，5功率单元串联叠加相电压可以得到11个不同的电压等级，构成一个完整的正弦波周期输出供给电机。至此高压变频器完成电机一个电压周期的控制。对于不同的工况，功率单元输出的电压脉冲不同，串联叠加得到驱动电机的交流正弦波形不同，达到改变电压和频率的目的。

参见图7，同型号变频器中所有的功率单元，电路的拓扑结构相同，这方便了更换，为日后的维护但来快捷和便利。

来自控制单元220的控制光信号，经光/电转换，在控制信号处理电路211a中产生IGBT的驱动信号或故障时的旁通信号，经相应的驱动回路去驱动IGBT或触发晶闸管。来自主回路和其他回路的状态信息被收集到应答信号处理电路211b中进行处理，集中后经电/光转换器变换，以光信号向控制单元220内部发送，确认故障后控制信号处理电路211a发出信号，干预本发明的运行，如封锁、旁通。

当某一组功率单元210发生故障不能按要求输出交流电时，控制单元220发出IGBT封锁信号，将桥式逆变器封锁；同时发出旁通信号，将输出整流桥间的旁通晶闸管触发导通，构成输出回路中的旁通支路，使输出电流无阻碍地流过该功率单元。此时的变频器可以重新调整其他功率单元的输出电压，使得系统在略低的输出电压下继续工作。

本发明具有如下特点：

一、高质量电源输入

输入侧隔离变压器二次线圈经过移相，为功率单元提供电源，对6KV而言相当于30脉冲(3KV为18脉冲)二极管整流输入，消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流，大大抑制了网侧谐波(尤其是低次谐波)的产生。变频器引起的电网谐波电压和谐波电流含量满足IEEE Std 519-1992和GB/T 14549-93《电能质量公用电网谐波》对谐波含量的最严格要求，无需安装输入滤波器并保护周边设备免受谐波干扰。

变频器额定输入功率因数大于0.96，无需功率因数补偿电容；减少无功输入，降低供电容量。

二、完美的输出性能

单元串联脉宽调制叠波(或称功率单元多重化)输出，3KV系列每相3个单元，6KV系列每相5个单元(相当于11电平)，大大削弱了输出谐波含量，输出波形几近完美的正弦波，与其他形式的高压大容量变频器比较具有以下优点：

1、无需输出滤波装置；

2、可以驱动普通高压电动机，而不会增加电机温升，降低电机容量；

3、电机电缆无任何长度限制；

4、保护电机绝缘不受dv/dt应力的损害；

5、不会因为谐波力矩而降低设备使用寿命。

三、友好的用户界面

本发明可采用全中文WINCE操作平台，7英寸真彩LCD显示。全中文文字表述和图形标识，易学易用。大屏幕显示，可同时对一组或多组参数进行设置，没有烦琐的参数代码号，参数设置准确、直观、便捷。运行参数同屏显示，一览无余。设置有状态显示、触摸屏操作锁定。定时记录运行参数，自动记录变频器的每一次操作，并可打印输出记录报表。还可同时显示输出电压或电流的实时波形，可记录保存多达一百个历次故障；在闭环运行时，PID参数可在线调整。

四、其他特性

1、控制电源使用UPS供电，系统更可靠；

2、高效率，额定工况下，系统总效率高达96％以上，其中变频部分效率大于98％；

3、功率单元模块化结构，可以互换，维护简单；

4、限流功能，减少变频器过流保护跳闸；

5、输出电压自动调整；

6、瞬时停电跟踪功能，典型值为3秒，电源恢复后可正常运行；

7、功率单元无扰动旁路；

8、宽广的输入电压范围，更适合国内电网条件；

9、功率单元光纤通讯控制，完全电气隔离，抗干扰能力强；

10、内置PID调节器，可实现闭环运行；

11、内置PLC，实现不同应用现场的灵活控制；

12、具有本地、远程、上位三种控制方式；

13、全面的故障监测电路、及时的故障报警保护和准确的故障记录保存；

14、可根据用户要求作特殊设计。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.矿用隔爆型高压变频器，其特征在于，包括一移相变压器单元隔爆箱、一功率单元隔爆箱、一冷却循环系统隔爆箱和一散热器；所述移相变压器单元隔爆箱内设置有一移相隔离变压器和一套散热系统，所述功率单元隔爆箱内设置有多组串联的功率单元以及一控制单元和一套散热系统；

所述移相变压器单元隔爆箱内设置的一套散热系统与所述冷却循环系统隔爆箱连接；所述功率单元隔爆箱内设置的一套散热系统也与所述冷却循环系统隔爆箱连接；所述冷却循环系统隔爆箱与所述散热器连接；

所述移相隔离变压器的高压侧连接在三相高压电网中，所述多组串联的功率单元分别与移相隔离变压器的低压侧相连接，所述功率单元与控制单元之间通过光纤连接。

2.根据权利要求1所述的矿用隔爆型高压变频器，其特征在于，所述冷却循环系统隔爆箱与移相变压器单元隔爆箱内设置的一套散热系统、功率单元隔爆箱内设置的一套散热系统以及散热器之间的连接管道均为金属管。

3.根据权利要求1所述的矿用隔爆型高压变频器，其特征在于，所述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移相隔离变压器的低压侧的各个副边绕组相互独立、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或3所述的矿用隔爆型高压变频器，其特征在于，所述控制单元包括一人机交互操作界面，所述人机交互操作界面与一个双DSP的CPU单元相连接，所述双DSP的CPU单元还连接一相控控制单元，所述相控控制单元还连接一PWM控制器，所述PWM控制器包括一电/光转换器，所述多组串联的功率单元分别通过两根光纤与PWM控制器的电/光转换器相应的光发送端口和光接收端口相连接。

5.根据权利要求1或3所述的矿用隔爆型高压变频器，其特征在于，所述每一组功率单元分别包括一功率单元控制板，所述电/光转换器的光发送端口连接功率单元控制板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功率单元控制板内部的IGBT和SCR触发模块的输入端，所述IGBT和SCR触发模块还设置有向功率单元发出反馈信息的反馈信息端；所述电/光转换器的光接收端口连接功率单元控制板内部的应答信号处理电路的输出端，所述应答信号处理电路还设置有接收由功率单元发出的状态信息的输入端。

6.根据权利要求1或3所述的矿用隔爆型高压变频器，其特征在于，所述多组串联的功率单元的组数为五组；所述每组功率单元输出的电压幅值为±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。

7.根据权利要求1或3所述的矿用隔爆型高压变频器，其特征在于，所述相控控制单元为一CPLD FPGA可编程模块。

8.根据权利要求1或3所述的矿用隔爆型高压变频器，其特征在于，所述双DSP的CPU单元为双32位DSP的CPU单元。

9.根据权利要求1或3所述的矿用隔爆型高压变频器，其特征在于，所述移相变压器单元隔爆箱包括一隔爆腔和该隔爆腔一侧的接线腔，所述一移相隔离变压器和一套散热系统设置于隔爆腔内，所述散热系统放置于隔爆腔的与接线腔不相邻的内腔壁前，所述接线腔和隔爆腔之间的腔壁上设置有多个用于连接移相隔离变压器和电源的主回路以及多组串联的功率单元的接线柱，所述接线柱与腔壁之间设置有密封结构；所述隔爆腔的其他所有装配结合处均设置有密封结构；所述接线腔的其他所有装配结合面也均设置有密封结构。

10.根据权利要求1或3所述的矿用隔爆型高压变频器，其特征在于，所述功率单元隔爆箱也包括一隔爆腔和该隔爆腔一侧的接线腔，所述多组串联的功率单元以及与之连接的控制单元和一套散热系统均设置于隔爆腔内，所述散热系统放置于隔爆腔的与接线腔不相邻的内腔壁前，所述接线腔和隔爆腔之间的腔壁上设置有多个用于连接多组串联的功率单元与移相隔离变压器的接线柱和多组串联的功率单元为高压电动机提供可变频变压的高压交流电的接线柱，所述接线柱与腔壁之间设置有密封结构；所述隔爆腔的其他所有装配结合处均设置有密封结构，所述接线腔的其他所有装配结合面也均设置有密封结构。

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