CN104319950A - 一种变频调速一体机 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种变频调速一体机，包括：M相感应电动机和M相变频器，所述M相变频器设置于所述M相感应电动机的上方，且二者相连；因此与现有技术相比，所述M相变频器和所述M相感应电动机不必采用过长的线缆相连，因降低了成本，同时也不存在所述变频调速一体机通过电缆向其他设备产生射频干扰信号的问题。还避免了由于变频器输出线缆过长，在电机端产生电压反射现象，导致电机侧电压峰值增加，从而使电机绝缘老化甚至击穿的问题。

Description

一种变频调速一体机

技术领域

本申请涉及机械自动化设备技术领域，特别是涉及一种变频调速一体机。

背景技术

电动机是将电能转换为机械能的设备，广泛应用于各个行业、领域，而各种电动机中，应用最广的是三相变频调速一体机。随着电力电子技术的长足发展，交流电机调速技术日渐成熟，三相变频调速一体机调速困难的问题得以解决，同时也打破了“三相”这一限制，可以通过电力电子器件搭建出多相驱动器。

与三相驱动系统相比，多相驱动系统转矩性能平稳，易于通过低压功率器件实现大功率输出，可以通过注入低次谐波电流以提高电机铁磁材料利用率、电机功率密度，具有比三相系统更多的控制资源和潜能。

煤矿井下多种场合大量使用变频调速一体机，派生出了多种专用电机类型，高功率密度、高可靠性、良好的散热是其共性要求。但是由于井下应用场合中，通常将电机与变频器分开设置，有的场合电机离变频器数百米远。过长的电缆不仅是成本的增加，而且存在通过电缆向其他设备输出射频干扰信号的问题。

发明内容

为了解决现有技术中变频调速一体机的成本较高且存在射频干扰的问题，本申请公开了一种变频调速一体机。

一种变频调速一体机，包括：

M相感应电动机和M相变频器，其中M为大于3的正整数；

所述M相变频器设置于所述M相感应电动机的上方，且二者相连；

其中，所述M相变频器用于输出M相对称的平顶波；

所述M相变频器包括：第一腔体、第二腔体和第三腔体；

其中，所述第一腔体和第二腔体采用隔离板隔离，所述第一腔体用于设置所述M相变频器的主回路器件，所述第二腔体用于设置所述M相变频器的控制回路器件，所述隔离板上设置有穿墙套管，所述主回路器件和所述控制回路器件之间的连接线通过所述穿墙套管穿过所述隔离板；所述第三腔体为一独立腔体且与所述第一腔体贯通，所述第三腔体用于设置进线电抗器；

电网电源通过快速进线装置连入M相变频器壳体内部，与所述进线电抗器相连，M相变频器的控制线通过引入装置进入所述第二腔体，与所述控制回路器件相连。

优选的，上述的变频调速一体机中，所述第一腔体设置在所述M相感应电动机的正上方，所述第三腔体设置在M相感应电动机的尾端，且所述第三腔体的侧面顶部与所述第一腔体贯通，所述第二腔体设置在所述第三腔体的正上方。

优选的，上述的变频调速一体机中，所述M相感应电动机和M相变频器的外壳均为防爆外壳，二者通过法兰相连。

优选的，上述的变频调速一体机中，还包括：

设置在变频调速一体机壳体上的本安接线腔，用于设置对外通讯接口。

优选的，上述的变频调速一体机中，还包括：冷却系统，所述冷却系统的冷却介质经过电机外水套，对M相感应电动机进行冷却，而后进入水冷板；M相变频器的功率元件集中放置在一金属板上，且金属板又与水冷板贴合。

优选的，上述的变频调速一体机中，所述水冷板上设置有换热叶片。

优选的，上述的变频调速一体机中，所述M相感应电动机采用整距绕组，且M相绕组对称分布，每相绕组的首尾两端均引出、与M相变频器的输出端子一一对应相连。

优选的，上述的变频调速一体机中，所述M相感应电动机的每一对极面下的定子各个齿的磁密与齿宽乘积的和等于定子轭部最大磁密沿轭高的积分的2倍；所述M相感应电动机的每一对极面下的转子各个齿的磁密与齿宽乘积的和等于转子轭部最大磁密沿轭高的积分的2倍，且定转子齿部、轭部磁密均在较优区间，处于未饱和状态，定、转子各处磁密不超过临界饱和值。

优选的，上述的变频调速一体机中，所述M相感应电动机依据公式： $\mathrm{\Φ}={\∫}_0^{\mathrm{\τ}}{B}_{\mathrm{\δ}}\mathrm{dl}=\underset{1}{\overset{Q_1/p}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{t_1}\·l_{t_1}=2\·{\∫}_0^{h_{c_1}}{B}_{c_1}\mathrm{dl}=\underset{1}{\overset{Q_2/p}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{t_2}\·l_{t_2}=2\·{\∫}_0^{h_{c_2}}{B}_{c_2}\mathrm{dl},$ 计算得到M相感应电动机的每极磁通；

其中Φ为每极磁通；τ为节距，为定子齿部宽度，为转子齿部宽度，为定子轭部高度，为转子轭部高度；

B_δ为气隙磁密，为定子齿部磁密，为转子齿部磁密，为定子轭部磁密，为转子轭部磁密；

Q₁为定子齿数，Q₂为转子齿数,p为极数。

优选的，上述的变频调速一体机中，所述M相变频器中所有元件的压接点均设置有防松脱垫圈。

优选的，上述的变频调速一体机中，所述M相变频器逆变部分由M个H桥全控电路组成。

优选的，上述的变频调速一体机中，所述M相变频器逆变部分的M个H桥全控电路分别位于串联的N级直流母线上，M/N为自然数，且每级母线上的H桥全控电路对应的绕组是对称的。

通过上述技术方案可见，本申请公开的变频调速一体机的M相变频器和所述M相感应电动机采用一体化设计方式，因此与现有技术相比，所述M相变频器和所述M相感应电动机不必采用过长的线缆相连，因降低了成本，同时也不存在所述变频调速一体机通过电缆向其他设备产生射频干扰信号的问题。还避免了由于变频器输出线缆过长，在电机端产生电压反射现象，导致电机侧电压峰值增加，从而使电机绝缘老化甚至击穿的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例公开的变频调速一体机的主视图；

图2为本申请实施例公开的变频调速一体机的侧视图；

图3为本申请实施例公开的M相变频器的结构图；

图4为本申请实施例公开的一逆变单元的结构图；

图5为本申请实施例中公开的M相变频器输出信号的波形图；

图6a为本申请实施例公开的六相、四极感应电动机的六相绕组驱动电源相位的示意图；

图6b为本申请实施例公开的六相、四极感应电动机的定子槽的分布示意图；

图7a为本申请另一实施例公开的九相、四极感应电动机的九相绕组驱动电源相位的示意图；

图7b为本申请另一实施例公开的九相、四极感应电动机的定子槽的分布示意图；

图8a为本申请又一实施例公开的九相、四极感应电动机的九相绕组驱动电源相位的示意图；

图8b为本申请又一实施例公开的九相、四极感应电动机的定子槽的分布示意图。

具体实施方式

为了解决现有技术中，由于感应电动机与变频器距离较远而采用较长的电缆线相连，造成的成本增加且存在射频干扰等问题，本申请公开了一种变频调速一体机。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本申请实施例公开的变频调速一体机的主视图。

图2为本申请实施例公开的变频调速一体机的侧视图。

为了解决现有技术中的上述问题，本申请公开了一种变频调速一体机，参见图1和图2，本实施例公开的变频调速一体机可以包括：M相感应电动机2和M相变频器1，其中M为大于3的正整数，可以根据用户需求自行选择；

为了降低成本，以及防止射频干扰，本实施例中的所述M相变频器1设置于所述M相感应电动机2的上方，且为了使所述M相变频器1和所述M相感应电动机2固定相连，二者通过可法兰连接；

其中为了能够使所述M相感应电动机2能够平稳的运行，所述M相变频器1为可输出M相对称的平顶波的变频器；

为了能够使所述M相变频器1内部元件布局更加合理，且更容易散热，参见图2，本实施例中的所述M相变频器1可以包括：第一腔体101、第二腔体102和第三腔体103；

所述第一腔体101和第二腔体102采用隔离板隔离，所述第一腔体101用于设置所述M相变频器1的主回路器件，所述第二腔体102用于设置所述M相变频器1的控制回路器件，为了便于所述回路器件与控制回路器件之间的连接线设置，所述隔离板上可以设置有穿墙套管，所述主回路器件和所述控制回路器件之间的连接线通过所述穿墙套管穿过所述隔离板；所述第三腔体103为一相对所述M相变频器的外壳独立的腔体，且与所述第一腔体101贯通，所述第三腔体103可以通过法兰与所述M相变频器1的壳体相连，所述第三腔体103用于设置进线电抗器；

电网电源通过快速进线装置连入所述M相变频器1壳体内部，与所述第一腔体101内的进线电抗器相连，所述M相变频器1的控制线通过引入装置进入所述第二腔体102，与所述控制回路器件相连。

参见本申请上述实施例公开的变频调速一体机可见，所述M相变频器和所述M相感应电动机采用一体化设计方式，因此与现有技术相比，所述M相变频器和所述M相感应电动机不必采用过长的线缆相连，因降低了成本，解决了电平信号在线缆中传输的过程中向其他设备输出射频干扰信号的问题。还避免了由于变频器输出线缆过长，在电机端产生电压反射现象，导致电机侧电压峰值增加，从而使电机绝缘老化甚至击穿的问题。

其中所述变频调速一体机的进线电源为三相，额定电压为1140～3300V。

可以理解的是，为了使本申请上述实施例公开的变频调速一体机结构更加紧凑，体积更小，本申请还对所述第一至第三腔体的具体位置做出了进一步限定，其中，所述第一腔体101设置在所述M相感应电动机2的正上方，所述第三腔体103设置在M相感应电动机2的尾端，且所述第三腔体103的侧面顶部与所述第一腔体101贯通，所述第二腔体102设置在所述第三腔体103的正上方。可见，所述第一至第三腔体采用上述方式进行设置，使得本申请公开的所述变频调速一体机的整体体积较小。

此外，在煤矿井下工作环境中，变频调速一体机已经成为不可缺少的机械设备之一，电器设备在煤矿井下环境中使用时，由于煤矿井下环境的特殊性，必须考虑到所述电器设备的防爆特性，因此，本申请上述实施例中公开的所述M相感应电动机和M相变频器的外壳均可设置为防爆外壳，二者通过法兰相连。

当然，可以理解的是，当所述变频调速一体机应用于煤矿井下时，为了保证《GB 3836.18-2010爆炸性环境第4部分：由本质安全型“i”保护的设备》的规定，所述变频调速一体机还可以包括一本安接线腔，所述本安接线腔用于设置对外通讯接口，所述对外通讯接口的类型可以根据用户需求自行设定，例如所述对外通讯接口可以为RS-485接口。

可以理解的是，为了防止所述M相感应电动机和M相变频器在工作过程中温度过高，而将所述M相感应电动机或M相变频器中的元器件烧毁，本申请上述实施例中公开的变频调速一体机还可以包括一冷却系统，所述冷却系统用于对所述M相感应电动机和M相变频器降温，以防止M相感应电动机和M相变频器温度过高，所述冷却系统的冷却介质经过电机外水套，对M相感应电动机进行冷却，而后进入水冷板；其中，所述M相变频器的发热器件可以集中设置在一金属板上，为了能够达到更好的冷却效果，所述金属板与所述冷却系统的水冷板贴合，由于金属板的导热性能良好，因此能够更好的对所述M相变频器的发热器件快速降温，所述冷却系统的类型可以为水冷散热系统，其中所述金属板可以为紫铜板。

此外，为了提高冷却效果，本申请还对所述冷却系统的水冷板进行了进一步改进，具体的为：所述水冷板上设置有换热叶片。同时还设置了一内部循环风机，所述内部循环风机与所述冷却系统配合使用，显著的提高了散热效果。

图3为本申请实施例公开的M相变频器的结构图。

本申请上述实施例中的M相变频器采用“交-直-交”的方案，参见图1，所述M相变频器包括：进线电抗器301、整流器302、逆变器303和控制器(未示出)。其中所述整流器303可采用多个二极管搭建的三相不控整流电路。所述逆变器303中包括M个逆变单元3031，所述M个逆变单元3031的输出与所述M相感应电动机的M相输入一一对应，其中每个所述逆变单元3031可以视为一个全控H桥电路，所述H桥电路由多个IGBT搭建而成。所述整流器302与所述逆变器303之间采用正负直流母线相连，且所述正负直流母线之间连接有一电容304，所述M个逆变单元3031的正极输入端与所述正直流母线相连、负极与负直流母线相连。

可以理解的是，本申请上述实施例中的所述直流母线可以为N级直流母线，所述N为不小于2的自然数，所述M个逆变单元分别位于串联的N级直流母线上，且每级直流母线上设置M/N个逆变单元，且所述逆变单元所接的M相感应电动机的绕组对称分布，其中所述M/N为自然数。可见，本申请上述实施例中每个逆变单元的直流电压为直流母线电压的1/N，从而可以采用较低额定电压的器件搭建所述M相变频器，从而降低了成本，并且还使得调制波形驱动下，感应电动机的每相绕组上的dv/dt降低，感应电动机的绝缘压力减小。

图4为本申请实施例公开的一逆变单元的结构图。

图5为本申请实施例中公开的M相变频器输出信号的波形图。

参见图4，本申请上述实施例公开的逆变单元可由四个IGBT组成，其中第一IGBT与第二IGBT串联，所述第二IGBT中二极管的阴极与第一IGBT二极管的阳极相连，第三IGBT和第四IGBT串联，所述第四IGBT中二极管的阴极与第三IGBT二极管的阳极相连，所述第一、第三IGBT中二极管的阴极与正直流母线相连，所述第二、第二IGBT中二极管的阳极与负直流母线相连，所述第一IGBT与所述第二IGBT的公共端、所述第三IGBT与第四IGBT的公共端分别连接在所述M相感应电动机的某一相输入电感的两端。

所述M相变频器的控制器包括：主控板、M个驱动板和可编辑控制器，所述可编辑控制器负责对外围逻辑处理、对外信号接口、人机交互等功能；所述主控板用于接收所述可编辑控制器输出的控制信号，经计算、逻辑处理后向驱动板输出光信号；所述M个驱动板与所述M个逆变单元一一对应，所述驱动板用于将获取到的光信号变换为电信号，并进行逻辑处理后驱动IGBT导通或截止，以控制所述M个逆变单元输出如图5中所给出的任意一种平顶波信号或其它类似的平顶波信号，其中所述驱动板可直接压接在所述逆变单元的封装模块上，且为了避免电连接时虚接引起的不可靠性问题和紧凑、强干扰环境下电驱动容易干扰的问题，本申请所述驱动板与所述主控板之间通过光纤直接连接。

可以理解的是，由于本申请上述实施例中的所述M相变频器是设置在所述M相感应电动机上的，在工作时，所述M相变频器不可避免的处于振动环境中，如果所述M相变频器长时间处于震动状态，容易产生M相变频器中元器件脱落的问题，因此，为了保证M相变频器中元器件固定的牢固性，本申请还对对所述压接环节均采用防脱垫圈，且IGBT压接点等关键环节覆胶。

本申请上述实施例中的所述M相变频调速一体机的磁路设计，与M相变频器的输出波形相匹配，使得M相变频调速一体机运行时定转子铁芯齿、轭部磁密达到临界饱和，以充分利用有效材料及空间。

针对M相变频器输出的平顶波形，所述M相感应电动机的每一对极面下的定子各个齿的磁密与齿宽乘积的和等于定子轭部最大磁密沿轭高的积分的2倍；所述M相感应电动机的每一对极面下的转子各个齿的磁密与齿宽乘积的和等于转子轭部最大磁密沿轭高的积分的2倍，且定转子齿部、轭部磁密均在较优区间，处于未饱和状态，定、转子各处磁密不超过临界饱和值。

其中，所述M相感应电动机依据公式(一)算得到M相感应电动机的每极磁通；

$\mathrm{\Φ}={\∫}_0^{\mathrm{\τ}}{B}_{\mathrm{\δ}}\mathrm{dl}=\underset{1}{\overset{Q_1/p}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{t_1}\·l_{t_1}=2\·{\∫}_0^{h_{c_1}}{B}_{c_1}\mathrm{dl}=\underset{1}{\overset{Q_2/p}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{t_2}\·l_{t_2}=2\·{\∫}_0^{h_{c_2}}{B}_{c_2}\mathrm{dl}$

                                        (公式一)

上述公式(一)中：

Φ为每极磁通；τ为节距，为定子齿部宽度，为转子齿部宽度，为定子轭部高度，为转子轭部高度；

B_δ为气隙磁密，为定子齿部磁密，为转子齿部磁密，为定子轭部磁密，为转子轭部磁密；

Q₁为定子齿数，Q₂为转子齿数，p为极数。

与此同时，申请人经研究发现，所述感应电动机在上述设计方案控制下，采用平顶波驱动工作时，相较于普通电动机而言，提高了铁磁材料利用率，提高了功率密度。

图6a为本申请实施例公开的六相、四极感应电动机的六相绕组驱动电源相位的示意图。

图6b为本申请实施例公开的六相、四极感应电动机的定子槽的分布示意图。

图7a为本申请另一实施例公开的九相、四极感应电动机的九相绕组驱动电源相位的示意图。

图7b为本申请另一实施例公开的九相、四极感应电动机的定子槽的分布示意图。

图8a为本申请又一实施例公开的九相、四极感应电动机的九相绕组驱动电源相位的示意图。

图8b为本申请又一实施例公开的九相、四极感应电动机的定子槽的分布示意图。

可以理解的是为了更好地驱动所述M相感应电动机，所述M相感应电动机采用整距绕组、且M相绕组对称分布，每相绕组的首尾两端与M相变频器的输出端子一一对应相连。整距绕组的设计方式，提高了绕组短距系数。

参见图6a和图6b，以六相、四极变频调速一体机为例，所述六相、四极变频调速一体机的定子为72槽，现列出一对极下绕组排布，如图6a。所述六相、四极变频调速一体机的A1、A2、B1、B2、C1、C2六相绕组的驱动电源分别为0°、30°、120°、150°、240°、270°。参见图6b，所述绕组组：A1、B1、C1和绕组组：A2、B2、C2为对称的两组绕组组，分置于串联的两级母线上。

参见图7a，以九相、四极变频调速一体机为例，所述就相、四极变频调速一体机的定子为72槽，现列出一对极下绕组排布，如图7a。所述六相、四极变频调速一体机的A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3九相绕组的驱动电源相位分别为0°、20°、40°、120°、140°、160°、240°、260°、280°。参见图7b绕组组：A1、B1、C1，绕组组：A2、B2、C2，绕组组：A3、B3、C3分别为对称的三组绕组组，分置于串联的三级母线上。

参见图8a，仍九相、四极变频调速一体机为例，所述就相、四极变频调速一体机的定子为72槽，现列出一对极下绕组排布，如图8a。所述六相、四极变频调速一体机的A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3九相绕组的驱动电源相位分别为0°、40°、80°、120°、160°、200°、240°、280°、320°。参见图8a绕组组：A1、B1、C1，绕组组：A2、B2、C2，绕组组：A3、B3、C3分别为对称的三组绕组组，分置于串联的三级母线上。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种变频调速一体机，其特征在于，包括：

M相感应电动机和M相变频器，其中M为大于3的正整数；

所述M相变频器设置于所述M相感应电动机的上方，且二者相连；

其中，所述M相变频器用于输出M相对称的平顶波；

所述M相变频器包括：第一腔体、第二腔体和第三腔体；

其中，所述第一腔体和第二腔体采用隔离板隔离，所述第一腔体用于设置所述M相变频器的主回路器件，所述第二腔体用于设置所述M相变频器的控制回路器件，所述隔离板上设置有穿墙套管，所述主回路器件和所述控制回路器件之间的连接线通过所述穿墙套管穿过所述隔离板；所述第三腔体为一独立腔体且与所述第一腔体贯通，所述第三腔体用于设置进线电抗器；

电网电源通过快速进线装置连入M相变频器壳体内部，与所述进线电抗器相连，M相变频器的控制线通过引入装置进入所述第二腔体，与所述控制回路器件相连。

2.根据权利要求1所述的变频调速一体机，其特征在于，所述第一腔体设置在所述M相感应电动机的正上方，所述第三腔体设置在M相感应电动机的尾端，且所述第三腔体的侧面顶部与所述第一腔体贯通，所述第二腔体设置在所述第三腔体的正上方。

3.根据权利要求1所述的变频调速一体机，其特征在于，还包括：

设置在变频调速一体机壳体上的本安接线腔，用于设置对外通讯接口。

4.根据权利要求1所述的变频调速一体机，其特征在于，还包括：冷却系统，所述冷却系统的冷却介质经过电机外水套，对M相感应电动机进行冷却，而后进入水冷板；M相变频器的功率元件集中放置在一金属板上，且金属板又与水冷板贴合。

5.根据权利要求4所述的变频调速一体机，其特征在于，所述水冷板上设置有换热叶片。

6.根据权利要求1所述的变频调速一体机，其特征在于，所述M相感应电动机采用整距绕组，且M相绕组对称分布，每相绕组的首尾两端均引出、与M相变频器的输出端子一一对应相连。

7.根据权利要求1所述的变频调速一体机，其特征在于，所述M相感应电动机的每一对极面下的定子各个齿的磁密与齿宽乘积的和等于定子轭部最大磁密沿轭高的积分的2倍；所述M相感应电动机的每一对极面下的转子各个齿的磁密与齿宽乘积的和等于转子轭部最大磁密沿轭高的积分的2倍，且定转子齿部、轭部磁密均在较优区间，处于未饱和状态，定、转子各处磁密不超过临界饱和值。

8.根据权利要求1所述的变频调速一体机，其特征在于，所述M相感应电动机依据公式：

$\mathrm{\Φ}={\∫}_0^{\mathrm{\τ}}{B}_{\mathrm{\δ}}\mathrm{dl}=\underset{1}{\overset{Q_1/p}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{t_1}\·l_{t_1}=2\·{\∫}_0^{h_{c_1}}{B}_{c_1}\mathrm{dl}=\underset{1}{\overset{Q_2/p}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{t_2}\·l_{t_2}=2\·{\∫}_0^{h_{c_2}}{B}_{c_2}\mathrm{dl},$ 计算得到M相感应电动机的每极磁通；

其中Φ为每极磁通；τ为节距，为定子齿部宽度，为转子齿部宽度，为定子轭部高度，为转子轭部高度；

B_δ为气隙磁密，为定子齿部磁密，为转子齿部磁密，为定子轭部磁密，为转子轭部磁密；

Q₁为定子齿数，Q₂为转子齿数,p为极数。

9.根据权利要求1所述的变频调速一体机，其特征在于，所述M相变频器逆变部分由M个H桥全控电路组成。

10.根据权利要求9所述的变频调速一体机，其特征在于，所述M相变频器逆变部分的M个H桥全控电路分别位于串联的N级直流母线上，M/N为自然数，且每级母线上的H桥全控电路对应的绕组是对称的。