CN104410291B - 变频装置及其功率扩展方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变频装置及其功率扩展方法，包括：通过母排或线缆相连的滤波单元腔体、功率模块和电控模块。功率模块采用竖直排列型插接结构连接在母排上，滤波单元腔体和功率模块分别设置于电控模块的两侧。变频装置还可以包括两个以上并排设置的功率模块。功率模块进一步包括上下对称、功能可互换的两个子模块作为整流单元或逆变单元，用于单独实现整流或逆变功能，或同时实现整流和逆变功能。该发明能够克服现有变频装置存在的变流单元不够集中、整柜高低压没隔离、EMC性能差的缺陷，同时还能解决现有变频装置存在的功率扩展难或功率扩展范围窄、再设计和生产时间成本、价格成高，市场响应速度慢的技术问题。

Description

变频装置及其功率扩展方法

技术领域

本发明涉及工业及民用变频领域，尤其是涉及一种应用于电力变流领域具有功率扩展结构的变频装置及其功率扩展方法。

背景技术

随着电力电子技术、计算机技术以及自动控制技术的迅速发展，电气传动技术正面临一场新革命，也朝着更加“绿色”的方向发展，在电气传动领域，变频调速系统因为其效率高、性能好而成为主流。自“十二五”规划出台以来，节能减排是各行各业发展的关键，在这个大背景之下，各种节能环保产品的应用更加广泛，前景也更加明朗。得益于节能减排、绿色环保等战略的强劲拉动，变频器作为变频调速领域内的重要设备，其产业在未来几年市场应用潜力将非常巨大。

另外，随着用户需求的进步和多样化，变频器产品的功能在不断完善和增加的同时，集成度和系统化程度也越来越高，并且已经出现某些领域专用的节能变频器产品。变频器的节能原理为：变频器使得电动机及其拖动负载在无需任何改动的情况下即可按照生产工艺要求调整转速输出，极大地降低了电机的整体功耗，在节能减排领域有着巨大的独特优势，实现了系统高效运行的目的。

在工业及民用变频领域，使用在同一领域的变频装置的功率等级划分的相当细致，用户可以根据自己的实际使用情况来选用合适的功率等级，在保证功率余量的情况下同时保证了产品的价格。在竞争日益激烈的工业及民用变频市场，集成厂商需要变频装置有能够快速响应市场要求的方案及产品，同时对变频产品的外形尺寸要求特别严格，体积越小越好。目前，在工业和民用变频市场领域，针对相同产品不同功率等级的变频器装置往往需要重新进行柜体结构设计，方案的可靠性需要重新得到长时间的现场考核和用户认可。这在瞬息万变的工业及民用市场，技术不断更新，对于系列化产品的推广和应用是相当不利的。而在多变的市场条件下，需要同类不同功率等级的产品有快速响应市场需求的能力，才能够率先抢占市场份额，为集成商争取更大的利益。

在现有技术中，目前应用广泛的技术方案为在变频装置中将变流单元中的整流单元和逆变单元分别设计成一个固定功率等级的模块单元。在整个变频装置的设计过程中，预先设计一个可调功率等级范围，所有主电路器件的设计选型按照最大的功率等级进行，选配所需的整流模块单元和逆变模块单元的数量即可。如客户需要在能可调功率等级范围内的产品，只需要相应的减少逆变单元或者整流单元的数量就能够满足要求。但是，目前针对工业及民用变频装置还存在着变流单元不够集中、整柜高低压没隔离、EMC性能差，功率扩展难或功率扩展范围窄、再设计和生产的时间成本、价格高，响应市场速度慢等诸多问题。（1）变流单元不集中，变流单元没有形成一个或者多个独立的单元，不方便柜体的安装维护，同时会导致整个变频装置的尺寸过大，使得系统不够紧凑，空间利用率低。（2）功率扩展范围太窄，就不能满足客户功率等级的选取及价格要求。（3）控制单元不集中且不通用，维修不方便同时会造成再设计、生产成本增加。（4）不同功率等级的变频器柜内结构布局不一致，导致柜体结构的通用性差，设计工作量大，同时对于新布局的柜内器件使用环境需要重新考核验证，响应市场速度慢。（5）不能灵活进行产品的配置，所选器件的参数放大，造成成本的增加，同时对整个变频系统性能也会有响应的影响。

在现有技术中，与本发明最相近的技术方案为深圳市四方电气技术有限公司于2010年11月18日申请，并于2011年06月15日公告，公告号为CN201869087U的中国实用新型专利《扩展模块组建安装结构及变频器》。该实用新型专利包括扩展卡托盘以及至少一个扩展卡，每一扩展卡具有外壳和安装在外壳上的扩展模块组件，每一扩展模块组件上设有第一排插，扩展卡托盘上安装有控制主板并设有至少一个扩展卡安装位，每一扩展卡安装位上设有固定扩展卡的外壳的固定结构以及用于与第一排插配合连接的第二排插，第二排插连接到控制主板。该实用新型还提供了一种具有上述安装结构的变频器，通过扩展卡托盘和扩展卡的连接结构，大大提高了变频器功能变换的灵活性和操作的便捷性。但是，该实用新型侧重于对扩展结构的描述，没有涉及到功率模块等具体部件的结构设计，因此依然不能解决现有技术中存在的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种变频装置及其功率扩展方法，克服现有变频装置存在变流单元不够集中、整柜高低压没隔离、EMC性能差，功率扩展难或者功率扩展范围窄、再设计和生产的时间成本和价格成高，响应市场速度慢的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种变频装置的技术实现方案，一种变频装置，包括：通过母排或线缆相连的滤波单元腔体、功率模块和电控模块。所述功率模块采用竖直排列型插接结构连接在所述母排上，所述滤波单元腔体和功率模块分别设置于所述电控模块的两侧。所述功率模块包括上下对称、功能可互换的两个子模块，所述功率模块的两个子模块可同时都用于实现整流功能，也可同时都用于实现逆变功能，也可一个子模块实现整流和另一个子模块实现逆变功能。

优选的，所述变频装置包括两个以上的功率模块，两个以上的所述功率模块呈竖直型书本式结构并排设置。

优选的，所述功率模块的两个子模块均为整流单元或均为逆变单元。

优选的，所述功率模块的两个子模块，其中一个为整流单元，另一个为逆变单元。

优选的，所述变频装置还包括充电单元、滤波单元、电压检测单元、放电单元和控制单元，所述充电单元、滤波单元和放电单元设置在所述滤波单元腔体中。所述电压检测单元和控制单元设置在所述电控模块中。所述充电单元与所述滤波单元相连，所述滤波单元通过母排与所述功率模块相连。所述电压检测单元、放电单元以并联方式电连接在所述功率模块的两个子模块之间，所述控制单元通过电线电缆分别与所述充电单元、功率模块相连。

优选的，所述整流单元采用三相四象限整流器或二极管整流器，当所述整流单元采用三相四象限整流器时，所述整流单元输入至电网的功率因数接近于1。

优选的，所述滤波单元腔体、功率模块、电控模块均设置在柜体内，所述功率模块采用推入式快插方式与预先设置在所述柜体内的母排相连。

优选的，所述两个以上的功率模块设置为若干个固定功率等级的子模块，通过选择所述整流单元和/或逆变单元的种类和数量实现所述变频装置的功率匹配。

本发明还另外具体提供了一种变频装置功率扩展方法的技术实现方案，一种变频装置功率扩展方法，包括以下步骤：

S100：将采用竖直型书本式结构的两个以上的功率模块并排插接在母排上，所述功率模块包括上下对称、功能可互换的两个子模块，所述功率模块的两个子模块可同时都用于实现整流功能，也可同时都用于实现逆变功能，也可一个子模块实现整流和另一个子模块实现逆变功能；

S101：将滤波单元腔体和电控模块设置于所述功率模块的同一侧；

S102：采用母排或线缆对所述滤波单元腔体、功率模块和电控模块进行连接。

优选的，所述步骤S100还包括：

将所述功率模块的两个子模块均设置为整流单元，或均设置为逆变单元。

优选的，所述步骤S100还包括：

将所述功率模块两个子模块的其中一个设置为整流单元，另一个设置为逆变单元。

优选的，所述步骤S101还包括：

在所述滤波单元腔体中设置充电单元、滤波单元和放电单元，在所述电控模块中设置电压检测单元和控制单元。将所述充电单元与所述滤波单元相连，将所述滤波单元通过母排与所述功率模块相连。将所述电压检测单元、放电单元以并联方式电连接在所述功率模块的两个子模块之间。将所述控制单元通过电线电缆分别与所述充电单元、功率模块相连。

优选的，所述步骤S100还包括：

将所述两个以上的功率模块设置为若干个固定功率等级的子模块，通过选择所述整流单元和/或逆变单元的种类和数量实现所述变频装置的功率匹配。

通过实施上述本发明提供的变频装置及其功率扩展方法，具有如下技术效果：

（1）本发明变频装置中的变流单元高度集中在功率模块中，整个变频装置只需围绕功率模块配备需要的功能单元即可；

（2）本发明变频装置的控制单元部分在不同功率等级的变频装置都能实现通用，不需要改变任何电控元器件；

（3）本发明变频装置能够实现比较灵活的配置，功率扩展范围宽，不同的功率等级选配不同的功率模块单元子模块种类和数量；

（5）本发明变频装置在进行功率扩展的前后，柜体布局结构始终保持一致，再设计的时间成本和价格成本都将大幅下降，并大幅提高产品的市场响应速度。

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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明变频装置一种具体实施方式的结构布局示意图；

图2是本发明变频装置一种具体实施方式的功率扩展结构布局示意图；

图3是本发明变频装置一种具体实施方式的主电路拓扑结构示意图；

图4是本发明变频装置一种具体实施方式的结构示意图；

图5是本发明变频装置的外部电气连接结构示意图；

图6是本发明变频装置中功率模块一种具体实施方式的结构示意图；

图7是本发明变频装置中功率模块另一种具体实施方式的结构示意图；

图8是本发明变频装置中功率模块第三种具体实施方式的结构示意图；

图中：1-滤波单元腔体，2-功率模块，3-电控模块，4-充电单元，5-滤波单元，6-电压检测单元，7-放电单元，8-柜体，9-控制单元，10-变频装置，11-电网，12-电动机，21-整流单元，22-逆变单元。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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的一部分实施例，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作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。

如附图1至附图8所示，给出了本发明变频装置及其功率扩展方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如附图1所示一种变频装置10的具体实施例，包括：通过母排相连的滤波单元腔体1、功率模块2和电控模块3。功率模块2采用竖直排列型插接结构连接在母排上，滤波单元腔体1和功率模块2分别设置于电控模块3的两侧。其中，在附图1中位于左侧的滤波单元腔体1为高压区，右侧为功率模块2，中部为电控模块3，整个变频装置10的电控元器件都集成在电控模块3的内部，集成的电控模块3便于整个变频装置10的安装与布线，同时由于与左侧的高压区隔离，提高了变频装置10整体的EMC（Electromagnetic Compatibility，电磁兼容）性能。如附图2所示，变频装置10进一步包括两个以上的功率模块2，两个以上的功率模块2呈竖直型书本式结构并排设置。功率模块2进一步包括上下对称、功能可互换的两个子模块作为整流单元21或逆变单元22，可以是整流单元21在上而逆变单元22在下，也可以是整流单元21在下而整流单元21在上。功率模块2用于单独实现整流或逆变功能，或同时实现整流和逆变功能。该具体实施例描述的变频装置10，其功率模块2的设计高度集中，将整流单元21和逆变单元22集中设计成一个竖直型书本式结构的功率模块2，功率模块2的功能高度集中，可单独实现整流或逆变功能，也可以同时实现整流逆变功能。电控模块3的结构也高度集中，可以在不同功率等级的变频装置之间实现通用，无需更换电控模块3中的器件或者仅需替换极少数的器件。电控模块3的内部集中安装了全部的电控元器件，高低压电控元器件分开布局、分开走线可避免高低压线路的互相干扰，提高信号的质量，实现在不同功率等级产品上的通用。

如附图3所示，为本发明变频装置10一种具体实施方式的主电路拓扑结构示意图。按照变频装置10的用途整个主电路分为功率模块2、充电单元4、滤波单元5、电压检测单元6、放电单元7和控制单元9。外部的输入接入滤波单元5，充电单元4与滤波单元5相连，滤波单元5与功率模块2相连。电压检测单元6、放电单元7并联在功率模块2的两个子模块之间。控制单元9分别与充电单元4和功率模块2相连，控制单元9用于控制充电单元4中的断路器和接触器动作，以及控制功率模块2中子模块的工作状态。其中，在如附图3和附图4所示的具体实施例中，滤波单元5电路的单条支路采用单电感L，也可以采用L+C（电感+电容）方式或者L+C+L（电感+电容+电感）等其他滤波方式。功率模块2可以同时集成整流和逆变功能，其中整流单元21进一步采用三相四象限整流器或二极管整流器的方式。通过采用三相四象限整流器结构的整流单元21，可以使得整流单元21输入至电网11的功率因数接近于1。整流单元21和逆变单元22的电路拓扑结构完全一致，能够实现功能的互换。如附图5所示为本发明变频装置10的外部电气连接结构示意图，变频装置10的输入端与电网11相连，变频装置10的输出端与电动机12相连。其中，功率模块2的整流单元21采用三相四象限整流器，可以使功率模块2输入至电网11的功率因数接近于1，减少对电网11的谐波污染，从而无需功率因数补偿装置。

在功率扩展方式中，并没有限定功率模块2的数量以及每个功率模块2所实现的功能。一个功率模块2作为整流单元21，另一个功率模块2可以作为逆变单元22，或者是一个功率模块2的上部和另一个功率模块2的上部共同作为整流单元21，一个功率模块2的下部和另一个功率模块2的下部共同作为逆变单元22等。同时，本发明具体实施例不局限于在相同种类的功率模块2之间进行扩容，在不同种类的功率模块2之间进行扩容也同样适用。

作为本发明较佳的典型实施例，功率模块2的两个子模块均为整流单元21或均为逆变单元22，或者是功率模块2的两个子模块，其中一个为整流单元21，另一个为逆变单元22。如附图6所示，为一个功率模块2的上子模块为逆变单元22，下子模块为整流单元21的情况。如附图7所示，为一个功率模块2的上、下两个子模块均为整流单元21的情况。如附图8所示，为两个功率模块2的上子模块均为逆变单元22，下子模块均为整流单元21的情况。功率模块2的子模块配置情况通过改变柜体8内预先布置好的用于连接功率模块2的母排的连接关系进行设置，而功率模块2的子模块类型则由控制单元9进行控制。变频装置10的功率扩展可灵活配置，功率扩展范围宽，不同功率等级的产品，柜体8内的结构布局保持一致，再设计、生产的成本大大降低。变频装置10的功率扩展布局示意图如附图2所示，当变频装置10需要进行功率扩展时，增加功率模块2的数量，同时滤波单元5内的元器件选择合适的电气参数即可，整体的布局结构，以及控制单元9都不需要变动。这样大大节省了因功率扩展需要再设计、生产的时间，使得变频装置10的研发、生产的价格成本和时间成本大幅下降，可以快速地响应市场需求。

如附图4所示，根据变频装置10需要的功能不同，变频装置还进一步包括充电单元4、滤波单元5、电压检测单元6、放电单元7和控制单元9，可以任意改变这几个单元在滤波单元腔体1中的相对位置。充电单元4、滤波单元5和放电单元7设置在滤波单元腔体1中。电压检测单元6设置在电控模块3中，用于检测网侧电压和中间直流电压。充电单元4与滤波单元5相连，滤波单元5通过母排与功率模块2相连。电压检测单元6、放电单元7并联在功率模块2的两个子模块之间。控制单元9通过电线电缆分别与充电单元4、功率模块2，以及变频装置的其他辅助电路相连，控制单元9用于控制充电单元4中的断路器和接触器动作，以及控制功率模块2中子模块的工作状态。

滤波单元腔体1、功率模块2、电控模块3均设置在柜体8内，功率模块2采用推入式快插方式与预先设置在柜体8内预先设置的母排相连，直接将功率模块2推入柜体8即可实现功率模块2接入变频装置10的主电路。为了能够使功率扩展的范围更宽，两个以上的功率模块2设置为若干个固定功率等级的功率模块单元子模块，通过选择整流单元21和/或逆变单元22的种类和数量实现变频装置10的功率匹配。通过功率扩展的变频装置10，其稳定性和可靠性不再需要长时间的验证，只需保证所选器件的可靠性，就可以快速响应市场的需要。

一种对上述变频装置进行功率扩展的方法的具体实施例，包括以下步骤：

S100：将采用竖直型书本式结构的两个以上的功率模块2并排插接在母排上，所述功率模块2包括上下对称、功能可互换的两个子模块作为整流单元21或逆变单元22，功率模块2用于单独实现整流或逆变功能，或同时实现整流和逆变功能；

S101：将滤波单元腔体1和电控模块3设置于所述功率模块2的同一侧；

S102：采用母排或线缆对所述滤波单元腔体1、功率模块2和电控模块3进行连接。

作为本发明一种较佳的具体实施例，上述步骤S100进一步包括：

将功率模块2的两个子模块均设置为整流单元21，或均设置为逆变单元22。

作为本发明另一种较佳的具体实施例，上述步骤S100进一步包括：

将功率模块2两个子模块的其中一个设置为整流单元21，另一个设置为逆变单元22。

作为本发明一种较佳的具体实施例，上述步骤S101还进一步包括：

在滤波单元腔体1中设置充电单元4、滤波单元5和放电单元7，在电控模块3中设置电压检测单元6和控制单元9。将充电单元4与滤波单元5相连，将滤波单元5通过母排与功率模块2相连。将电压检测单元6、放电单元7以并联方式电连接在功率模块2的两个子模块之间。将控制单元3通过电线电缆分别与充电单元4、功率模块2相连。

作为本发明一种较佳的具体实施例，上述步骤S100还进一步包括：

将两个以上的功率模块2设置为若干个固定功率等级的子模块，通过选择整流单元21和/或逆变单元22的种类和数量实现变频装置的功率匹配。

通过实施本发明具体实施例描述的变频装置及其功率扩展方法的技术方案，具有如下优点：

（1）本发明中的变流单元高度集中在功率模块2中，整个变频装置10只需围绕功率模块2配备需要的功能单元即可；

（2）本发明中的控制单元9在不同功率等级的变频装置10都能实现通用，不需要改变任何电控元器件；

（3）本发明能够实现比较灵活的配置，功率扩展范围宽，不同的功率等级选配不同的功率模块2的单元种类和数量；

（4）本发明在进行功率扩展的前后，柜体8的布局结构始终保持一致，再设计的时间成本和价格成本都将大幅下降，并大幅提高产品的市场响应速度。

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。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种变频装置，其特征在于，包括：通过母排或线缆相连的滤波单元腔体（1）、功率模块（2）和电控模块（3），所述功率模块（2）采用竖直排列型插接结构连接在所述母排上，所述滤波单元腔体（1）和功率模块（2）分别设置于所述电控模块（3）的两侧；所述功率模块（2）包括上下对称、功能可互换的两个子模块，所述功率模块（2）的两个子模块用于实现以下功能：

能同时都用于实现整流功能；

也能同时都用于实现逆变功能；

也能一个子模块实现整流功能，另一个子模块实现逆变功能。

2.根据权利要求1所述的一种变频装置，其特征在于：所述变频装置包括两个以上的功率模块（2），两个以上的所述功率模块（2）呈竖直型书本式结构并排设置。

3.根据权利要求1或2所述的一种变频装置，其特征在于：所述变频装置还包括充电单元（4）、滤波单元（5）、电压检测单元（6）、放电单元（7）和控制单元（9），所述充电单元（4）、滤波单元（5）和放电单元（7）设置在所述滤波单元腔体（1）中，所述电压检测单元（6）和控制单元（9）设置在所述电控模块（3）中，所述充电单元（4）与所述滤波单元（5）相连，所述滤波单元（5）通过母排与所述功率模块（2）相连，所述电压检测单元（6）、放电单元（7）以并联方式电连接在所述功率模块（2）的两个子模块之间，所述控制单元（9）通过电线电缆分别与所述充电单元（4）、功率模块（2）相连。

4.根据权利要求3所述的一种变频装置，其特征在于：所述子模块采用三相四象限整流器，当所述子模块采用三相四象限整流器时，所述子模块输入至电网（11）的功率因数接近于1。

5.根据权利要求1、2或4中任一权利要求所述的一种变频装置，其特征在于：所述滤波单元腔体（1）、功率模块（2）、电控模块（3）均设置在柜体（8）内，所述功率模块（2）采用推入式快插方式与预先设置在所述柜体（8）内的母排相连。

6.根据权利要求5所述的一种变频装置，其特征在于：两个以上的所述功率模块（2）设置为若干个固定功率等级的子模块，通过选择所述子模块的种类和数量实现所述变频装置的功率匹配。

7.一种变频装置功率扩展方法，其特征在于，包括以下步骤：

S100：将采用竖直型书本式结构的两个以上的功率模块（2）并排插接在母排上，所述功率模块（2）包括上下对称、功能可互换的两个子模块，所述功率模块（2）的两个子模块用于实现以下功能：

能同时都用于实现整流功能；

也能同时都用于实现逆变功能；

也能一个子模块实现整流功能，另一个子模块实现逆变功能；

S101：将滤波单元腔体（1）和电控模块（3）设置于所述功率模块（2）的同一侧；

S102：采用母排或线缆对所述滤波单元腔体（1）、功率模块（2）和电控模块（3）进行连接。

8.根据权利要求7所述的一种变频装置功率扩展方法，其特征在于，所述步骤S101还包括：

在所述滤波单元腔体（1）中设置充电单元（4）、滤波单元（5）和放电单元（7），在所述电控模块（3）中设置电压检测单元（6）和控制单元（9）；将所述充电单元（4）与所述滤波单元（5）相连，将所述滤波单元（5）通过母排与所述功率模块（2）相连；将所述电压检测单元（6）、放电单元（7）以并联方式电连接在所述功率模块（2）的两个子模块之间；将所述控制单元（9）通过电线电缆分别与所述充电单元（4）、功率模块（2）相连。

9.根据权利要求7或8所述的一种变频装置功率扩展方法，其特征在于，所述步骤S100还包括：

将所述两个以上的功率模块（2）设置为若干个固定功率等级的子模块，通过选择所述子模块的种类和数量实现所述变频装置的功率匹配。