CN103762830A

CN103762830A - 矿用高压变频器

Info

Publication number: CN103762830A
Application number: CN201410001318.1A
Authority: CN
Inventors: 刘汉顺; 苏成勇; 陈定忠; 仇成林; 徐卫东; 孙霆
Original assignee: JIANGSU ZHONGLIAN ELECTRIC CO Ltd
Current assignee: Jiangsu bait Polytron Technologies Inc.; JIANGSU ZHONGLIAN ELECTRIC CO Ltd
Priority date: 2014-01-02
Filing date: 2014-01-02
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2034-01-02
Also published as: CN103762830B

Abstract

本发明涉及一种矿用高压变频器，其包括一个或多个多绕组移相整流变压器单元以及与所述变压器单元相配的一个或多个隔爆箱，一个或多个功率单元以及与所述功率单元相配的一个或多个隔爆箱，一个或多个冷却循环系统以及与所述冷却循环系统相配的一个或多个隔爆箱，和一个或多个散热器；所述多绕组移相整流变压器单元隔爆箱内设置有一个或多个多绕组移相整流变压器单元和一个或多个散热器，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个或多个控制单元和一个或多个散热器，所述冷却循环系统隔爆箱内设置有一个或多个冷却循环系统和一个或多个控制单元。所述散热器具有特定构造的冷却板和主金属板，因而该散热器具有良好的散热性能，并且通过在绕组线上涂覆具有优异性能的非溶剂型绝缘漆，使高压变频器的综合耐高温性得到进一步提高。

Description

矿用高压变频器

技术领域

本发明涉及矿用高压变频器，更具体地是一种散热性能和隔爆性能得到综合改善的矿用高压变频器。

背景技术

在诸如煤矿的高危场合中，目前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。隔爆箱体内不断积聚热量使温度升高，使其功率模块过热超过可以承受的温度极限而损坏，影响正常工作。此外，一些矿井还存在井下环境温度过高和缺乏冷却水的问题，对大功率变频调速装置的散热提出了更严苛的要求。因此这些大功率变频调速装置的散热问题，是至关重要的。

因此，必须将变压器设计成能够耐受由高压和高温产生的不利影响。本领域中由此熟知的是，变压器通常非常大并且产生大量热，必须将热从变压器绕组导走以避免绝缘性能的过早劣化，热的传导通常是通过传热介质例如液体或气体的热传递或热交换来进行的。

CN201010518149公开了一种矿用隔爆型高压变频器，其包括一个隔爆兼本安型高压变频整流箱、一个隔爆高压变频逆变箱和一个隔爆兼本安型高压变频冷却器，以及热交换器，其中整流箱和逆变箱中还分别设置有水冷装置，整流箱和逆变箱内的水冷系统管路通过外置于隔爆壳体的不锈钢管道连接所述隔爆兼本安型高压变频冷却器的泵机柜的出水端和进水端，泵机柜与热交换器内的空气冷却器输入和输出端连接。在该专利文献中，散热装置仅仅是常规的冷却风扇，也没有披露绕组线的防护，难以满足大功率电动机的要求。

CN201010223229公开了一种可拆式井下高压防爆变频器，其包括隔离变压器、功率模块单元、控制系统和输出接线部分，隔离变压器、功率模块单元、控制系统和输出接线部分之间通过电缆或光纤连接，隔离变压器设置在第一隔爆箱内，控制系统设置在第二隔爆箱内，输出接线部分设置在第三隔爆箱内，功率模块单元按照相同相位的功率单元分隔成第一功率模块单元组、第二功率模块单元组和第三功率模块单元组，第一功率模块单元组、第二功率模块单元组和第三功率模块单元组分别设置在相互独立的第四隔爆箱和第五隔爆箱和第六隔爆箱内。该专利文献要解决的技术问题是使井下高压变频器具有隔爆功能并且可拆，没有提及散热功能的改进和绕组线的防护处理。

美国专利US2012268227A1号公开了一种变压器冷却系统，其中将冷却板或蒸发器设置在绕组芯的外表面上并且至少部分被绕组线包围，从而来进行导热。虽然这种嵌入冷却方式的冷却效率高，但是这种冷却方式导致装置制造复杂化，并且容易出现故障，例如当冷却器出现故障时，会导致绕组也随之停止运行。

此外，本领域中还已知的是，变频控制器和变压器的绕组线圈除了提供绝缘的主要功能外，还必须具有足够高的耐高温能力。通常，标准的绕组线包括导电材料金属丝，通常是铜，并涂覆有一层或多层耐高温的聚酯酰亚胺（PEI）型和/或聚酰胺酰亚胺（PAI）型清漆（即涂漆），但是这样的清漆往往导致耐局部放电的能力较差。

另外，在现有技术中，往往仅仅注重高压变频器散热性能或绕组线耐高温性能中一个方面的改善，而忽略了对其二者进行综合性能提高。进一步地，即使对于散热性能的提高，也是采用本领域常规使用的散热装置进行散热，散热效果有限，并且也没有考虑到隔爆箱体内瞬间产生热量积聚这样的特点，仅仅从提高散热效果方面进行改进，因此甚至对于散热性能较强的散热装置，有时也会由于瞬时热量没有得到及时逸散而使变频器绕组线或功率单元出现故障。此外，所通常使用的聚酯酰亚胺（PEI）型和/或聚酰胺酰亚胺（PAI）型清漆还往往导致耐局部放电能力较低。

因此，需要一种散热器散热性能和绕组线涂漆性能均得到提高的矿用高压变频器，使得既能够有效地将隔爆箱体内的热导出，又能够在隔爆箱体内瞬间产生大量热量积聚而导致散热器临时失效的情况下，也使移相整流变压器的绕组能够正常运行。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种矿用高压变频器，该矿用高压变频器可包括一个或多个多绕组移相整流变压器单元以及与所述变压器单元相配的一个或多个隔爆箱，一个或多个功率单元以及与所述功率单元相配的一个或多个隔爆箱，一个或多个冷却循环系统以及与所述冷却循环系统相配的一个或多个隔爆箱，和一个或多个散热器；所述多绕组移相整流变压器单元隔爆箱内设置有一个或多个多绕组移相整流变压器单元和一个或多个散热器，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个或多个控制单元和一个或多个散热器，所述冷却循环系统隔爆箱内设置有一个或多个冷却循环系统和一个或多个控制单元；

所述多绕组移相整流变压器单元隔爆箱内设置的一个或多个散热器与所述冷却循环系统流通连接，所述功率单元隔爆箱内设置的一个或多个散热器也与所述冷却循环系统流通连接，所述多绕组移相整流变压器单元隔爆箱内设置的一个或多个散热器、功率单元隔爆箱内设置的一个或多个散热器流通连接，所述散热器之间用管道连接，从而构成冷却介质的循环回路；

所述多绕组移相整流变压器的高压侧可与高压电网连接，所述多组串联的功率单元可分别与多绕组移相整流变压器的低压侧相连接，所述功率单元与其控制单元之间可通过光纤进行连接。

进一步地，本发明人通过深入研究移相整流变压器的热量产生特点，设计出一种新型散热器，该散热器具有冷却框架，该冷却框架包含多个冷却板和金属板，每个冷却板具有外端部，所述金属板以接近所述多个冷却板的外端部的方式将所述外端部连接在一起，使得由所述多个冷却板和所述金属板形成内部周围表面，其中所述多个冷却板位于该内部周围表面内，所述内部周围表面允许外部气体介质从中流过，所述多个冷却板彼此平行地竖直定位并且在它们之间以及在它们和所述变压器单元之间通过管道流体连通，从而形成包括变压器单元、管道和冷却板的内部循环路径，内部冷却介质从管道中流通，从而实现内部冷却介质和外部气体介质之间的热交换。替代地，如图2所示，所述冷却板本身可以限定出一个与环境隔离的围闭流通空间。

在上述散热器中，极大地增加了传热介质与外界的接触表面积，并且传热介质可临时停留在导热板内的中空腔室中，从而更有效地使冷却板与外部环境的空气之间进行热交换，将热量有效到处，并且所述设计有助于传热介质产生对流作用，提高冷却效果。

所述冷却板可以是平面形式，优选地，所述冷却板是中空的并且可以容纳冷却流体，相邻冷却板之间相互连通形成密闭空间并且该密闭空间与所述管道连通，使内部冷却介质从中流通，所述相邻冷却板之间优选通过互锁结构相互连通。

外部气体介质可以是空气，优选是环境空气，所述内部冷却介质可以是液体，优选是油。

所述多个冷却板可彼此平行地竖直定位并且在它们之间以及在它们和所述变压器之间流体连通。

冷却板和主金属板可以为铜板或哈氏合金钢板，冷却板的表面优选呈细波纹状。

所有隔爆箱的外壳和用于将其固定的螺栓材料均可采用普通碳钢Q235A，材料屈服点≥235MPa，材料安全系数K≥1.25，螺栓垫片材质优选采用硬度小于60的丁腈橡胶。本领域一般认为，普通碳钢不是所期望的，然而在本发明中，通过散热装置和绕组线涂漆的改进，普通碳钢也能够满足要求，从而大大节约了生产成本。此外，丁腈橡胶的使用也改善了本领域对外壳和螺栓材料的苛刻要求。

多绕组移相整流变压器中的管道可以均为镀锌金属材料，其中镀锌层的密度可以为10-50g/m²。所述镀锌优选通过热浸镀锌实现。镀锌层的使用可以使整个管道系统更加耐受苛刻的矿井环境，大大提高了使用寿命。

多绕组移相整流变压器的绕组线外可以涂覆有固化的绝缘漆（即涂漆），该固化的绝缘漆具有≥300℃的玻璃化转变温度，在室温下≥20kg/mm²的挠性强度、大于35kV的初始介质击穿电压。研究发现，满足这样标准的绝缘漆，不仅可以提供优异的绝缘性能，并且还可以给绕组线提供一定的机械强度。

本发明还提供了一种绝缘漆，该绝缘漆是热固性树脂组合物，其包含以下组分（a）1重量份的多官能马来酰亚胺，（b）0.3-1.2重量份的烯基苯酚或烯基苯酚醚，（c）30-100重量份的多价羧酸的烯丙基酯。优选地，所述多价羧酸烯丙基酯是异氰酸三烯丙基酯。所述热固性树脂组合物还可任选包含组分（d）10-30重量份的矿物质填料。

传统的溶剂型清漆具有许多缺点，例如热消散能力差，介电强度和附着强度低，抗潮湿性差，另外随着溶剂的蒸发容易出现空隙。本发明的非溶剂型绝缘漆克服或减轻了上述诸多缺点。

在使用中，可以先将所述热固性树脂组合物初步加热以获得预聚物，例如加热到60-80℃并持续5分钟-300分钟，再将该预聚物作为无溶剂型清漆进行涂覆，然后再将其加热到150℃或更高的温度实现固化。所述预聚物优选具有在80℃下10泊以下的粘度。通过这种两步法加热处理，可有效避免清漆中出现不期望的沉积物。任选地，在热固前向预聚物中加入催化剂。

用作组分（a）的多官能马来酰亚胺可以在其分子中具有至少两个官能团，其示例性实例包括、但不限于N,N’-亚乙基双马来酰亚胺、N,N’-亚环己基双马来酰亚胺、N,N’-亚十二烷基双马来酰亚胺、N,N’-m-亚二甲苯基马来酰亚胺等。

用作组分（b）的烯基苯酚或烯基苯酚醚可通过本领域已知的方法合成或者可以商购获得。

矿物质填料可选自粘土、云母、二氧化硅和二氧化钛，优选地，所述矿物质填料的比表面积大于60m²/g，所述矿物材料的颗粒直径优选为20-100nm。本发明人出乎意料地发现，当矿物材料的颗粒直径在该范围时，既能获得良好的抗热性，又几乎不影响热固性组合物的固化。

附图说明

图1是本发明矿用高压变频器的冷却循环系统的管线连接示意图。

图2是本发明矿用高压变频器的散热器的一种形式的示意图。

图3是本发明矿用高压变频器的散热器的另一种形式的示意图。

图4是本发明矿用高压变频器的散热器的冷却板和金属板连接方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图，进一步阐述本发明，但本发明并不限于所述附图。

实施例1：矿用高压变频器的冷却循环系统的管线连接

参考图1，所述多绕组移相整流变压器单元隔爆箱100内设置的一个或多个散热器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内设置的一个或多个散热器也与所述冷却循环系统隔爆箱300连接；所述多绕组移相整流变压器单元隔爆箱100内设置的一个或多个散热器与所述功率单元隔爆箱200内设置的一个或多个散热器连接；所述冷却循环系统隔爆箱300与多绕组移相整流变压器单元隔爆箱100内设置的一个或多个散热器、功率单元隔爆箱200内设置的一个或多个散热器以及散热器之间的连接管道均为金属管。

实施例2：矿用高压变频器的散热器

参考图2-4，述散热器具有冷却框架，该冷却框架包含多个冷却板21和金属板20，每个冷却板21具有外端部19，所述金属板20以接近所述多个冷却板21的外端部19的方式将所述外端部19连接在一起，使得由所述多个冷却板21和1金属板20形成内部周围表面，其中所述多个冷却板21位于该内部周围表面内，所述内部周围表面允许外部环境空气冷却介质从中流过。该散热装置通过管道23与高压变频器22连通。

实施例3：绝缘漆的制备

在油浴中将70g4,4’-二苯基甲烷双马来酰亚胺、30go,o’-二烯丙基双酚F和67g异氰酸三烯丙基酯的混合物加热到130℃以使其完全溶剂并在130℃保持25分钟以获得预聚物。将该预聚物冷却至80℃，该预聚物的粘度为1泊，通过线材涂覆设备将该预聚体涂覆到绕组线上并在120℃加热5小时，接着在200℃加热3小时和在230℃加热3小时获得淡红褐色透明树脂层。经检测，该树脂层的玻璃化转变温度（代表了物理耐热性）大于300℃并且化学抗热性为15天。

本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域技术人员能够制造和使用本发明。本发明的可授予专利的范围由权利要求书限定，且可以包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这种其它实例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元素，或者如果这种其它实例包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这种其它实例意图处于权利要求书的范围之内。在不会造成不一致的程度下，通过参考将本文中参考的所有引用之处并入本文中。

Claims

1.一种矿用高压变频器，其特征在于，包括一个或多个多绕组移相整流变压器单元以及与所述变压器单元相配的一个或多个隔爆箱，一个或多个功率单元以及与所述功率单元相配的一个或多个隔爆箱，一个或多个冷却循环系统以及与所述冷却循环系统相配的一个或多个隔爆箱，和一个或多个散热器；所述多绕组移相整流变压器单元隔爆箱内设置有一个或多个多绕组移相整流变压器单元和一个或多个散热器，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个或多个控制单元和一个或多个散热器，所述冷却循环系统隔爆箱内设置有一个或多个冷却循环系统和一个或多个控制单元；

所述多绕组移相整流变压器的高压侧与高压电网连接，所述多组串联的功率单元分别与多绕组移相整流变压器的低压侧相连接，所述功率单元与其控制单元之间通过光纤进行连接。

2.根据权利要求1所述的矿用高压变频器，其特征在于，所述散热器具有冷却框架，该冷却框架包含多个冷却板和金属板，每个冷却板具有外端部，所述金属板以接近所述多个冷却板的外端部的方式将所述外端部连接在一起，使得由所述多个冷却板和所述金属板形成内部周围表面，其中所述多个冷却板位于该内部周围表面内，所述内部周围表面允许外部气体介质从中流过，所述多个冷却板彼此平行地竖直定位并且在它们之间以及在它们和所述变压器单元之间通过管道流体连通，从而形成包括变压器单元、管道和冷却板的内部循环路径，内部冷却介质从管道中流通，从而实现内部冷却介质和外部气体介质之间的热交换。

3.根据权利要求1或2的矿用高压变频器，其中所述冷却板是平面形式；优选地，所述冷却板是中空的并且可以容纳冷却流体，相邻冷却板之间相互连通形成密闭空间并且该密闭空间与所述管道连通，使内部冷却介质从中流通，所述相邻冷却板之间优选通过互锁结构相互连通。

4.根据前述权利要求中任一项的矿用高压变频器，其中所述外部气体介质是空气，优选是环境空气，所述内部冷却介质是液体，优选是油。

5.根据前述权利要求中任一项的矿用高压变频器，其中所述冷却板和主金属板为铜板或哈氏合金钢板，冷却板的表面呈细波纹状。

6.根据前述权利要求中任一项的矿用高压变频器，其中所有隔爆箱的外壳和用于将其固定的螺栓材料均采用普通碳钢Q235A，材料屈服点≥235MPa，材料安全系数K≥1.25，螺栓垫片的材质为硬度小于60的丁腈橡胶。

7.根据前述权利要求中任一项的矿用高压变频器，其中所述管道均为镀锌金属材料，其中镀锌层的密度为10-50g/m²。

8.根据前述权利要求中任一项的矿用高压变频器，其中所述绕组的绕组线外涂覆有固化的绝缘漆，该固化的绝缘漆具有≥300℃的玻璃化转变温度，在室温下≥20kg/mm²的挠性强度、大于35kV的初始介质击穿电压。

9.根据权利要求8的矿用高压变频器，其中所述绝缘漆是热固性树脂组合物，该组合物包含以下组分（a）1重量份的多官能马来酰亚胺，（b）0.3-1.2重量份的烯基苯酚或烯基苯酚醚，（c）30-100重量份的多价羧酸烯丙基酯，和任选的（d）10-30重量份的矿物质填料；优选地，所述多价羧酸烯丙基酯是异氰酸三烯丙基酯。

10.根据权利要求9的矿用高压变频器，其中所述矿物质填料选自粘土、云母、二氧化硅和二氧化钛，优选地，所述矿物质填料的比表面积大于60m²/g，所述矿物材料的颗粒直径为20-100nm。