CN108566051A - 一种1140v矿用安全型永磁直驱变频式一体机 - Google Patents

一种1140v矿用安全型永磁直驱变频式一体机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种1140V矿用安全型永磁直驱变频式一体机，包括永磁同步电动机，所述永磁同步电动机上方固定安装有变频器整体，所述变频器整体分为多个腔体，所述腔体包括动力电源接线腔、直流电抗器接线腔，所述腔体内部包含能够实现永磁同步电动机矢量控制的主控单元、整流器件、电容储能模块和逆变功率单元，所述永磁同步电动机为具有六相独立线圈绕组的永磁同步电动机，所述此一体机使用水冷散热器进行散热。本发明的有益效果是，结构简单，实用性强。

Description

一种1140V矿用安全型永磁直驱变频式一体机
技术领域
本发明涉及电力拖动领域，特别是一种1140V矿用安全型永磁直驱变频式一体机。
背景技术
目前，1140V矿用隔爆型兼本质安全型变频器和驱动电机被广泛应用于矿山自动化领域，而在实际煤矿井下应用现场，一般会将电机与变频器分开设置，有的场合电机距离变频器数百米远，过长的电缆不仅会使成本增加，而且易产生射频干扰信号影响系统中其他设备正常工作，另外，1140V变频器长距离变频供电会造成电机端电压尖峰过大引起电机绝缘老化甚至击穿从而损坏电机。采用永磁直驱式变频电机一体机，将变频器与电机组合在一起，减小体积、节省井下有限空间的同时还极大减小了连接电缆对系统性能的影响，使生产过程更加高效、安全、稳定。
现有的变频器逆变部分一般采用传统两电平或结构稍复杂的三电平拓扑结构，虽然两电平拓扑结构简单，但对逆变单元采用的功率元器件耐压要求较高，输出谐波含量大，会使控制电机产生较大的脉动转矩，电机使用寿命大大缩短；三电平拓扑结构虽然能改善两电平存在的问题，但三电平控制方式复杂、功率元器件数量多。本发明的变频器逆变部分采用两组两电平逆变单元串联的形式，每相桥臂上采用1700V IGBT模块串联组成，从而降低了对功率器件的耐压要求，节约了成本。传统两电平或三电平拓扑结构下的变频器输出侧只包含三相输出，实际使用中只能连接具有三相输入电源的电动机，因而限制了变频器和具有多相独立线圈绕组的电动机的应用范围。
目前，煤矿井下使用的变频调速一体机为具有多相输入的异步感应电机，驱动部分除了电机还包含减速器、液力耦合器等，系统结构复杂，耗电量大，占用较大的空间，永磁同步电机具有结构简单、体积小、低速大转矩、效率高、维护方便等优点，将变频器与永磁同步电机结合在一起形成一体机除了能充分发挥永磁同步直驱电机固有的优良特性外，还能消除变频器对独立电机控制过程中外在因素的不利影响，提高控制性能，减小故障发生率。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，设计了一种1140V矿用安全型永磁直驱变频式一体机。
实现上述目的本发明的技术方案为，一种1140V矿用安全型永磁直驱变频式一体机，包括永磁同步电动机，所述永磁同步电动机上方固定安装有变频器整体，所述变频器整体分为多个腔体，所述腔体包括动力电源接线腔、直流电抗器接线腔，所述腔体内部包含能够实现永磁同步电动机矢量控制的主控单元、整流器件、电容储能模块和逆变功率单元，所述永磁同步电动机为具有六相独立线圈绕组的永磁同步电动机，所述此一体机使用水冷散热器进行散热。
所述变频器整体的整流部分采用三相半控桥式整流，使用二极管串联电阻接入一相输入回路的独特形式提供上电回路，省去了传统主回路结构中使用的输入接触器和可控硅，简化了电路结构、降低了生产成本。
所述变频器整体内设有水冷板，所述水冷板内嵌水路通道与永磁同步电动机内部水道串接形成一个供水冷却回路，结构简单、维护方便。
所述水冷板进出水口与永磁同步电动机水道连接处采用O型密封圈进行密封，防止冷却水外溢。
所述变频器整体壳体表面设有具有参数显示和带电指示功能的指示装置，所述变频器整体壳体表面设有与外部信号和主回路电缆连接的接口。
所述变频器整体内的直流母线上串接直流电抗器，改善了滤波效果，提高了输入侧的功率因数。
所述电容储能模块由两组电容组串联组成，每组电容组由多个电容并联组成，每组电容组两端还并联有均压电阻。
所述变频器整体的逆变功率单元部分采用两组两电平逆变单元串联的形式，每相桥臂上采用1700V IGBT模块串联组成，采用六相输出的回路拓扑结构，每个输出端对应连接于具有六相输入永磁同步电机的电源输入端。
所述变频器整体的六个输出端均安装有独立霍尔元件对实时电流进行采样，实现驱动控制以及电路保护功能，该结构能使控制器对驱动模块的驱动控制更加精确，并通过对各相电流间平衡度的判断来有效保护一体机稳定运行。
所述六相输入永磁同步电动机内部包含两组单元电机，每组单元电机均包含三相独立线圈绕组，相邻独立线圈绕组之间相互电气隔离，每相线圈绕组设计阻抗一致，两组单元电机中性点独立连接，六相独立线圈绕组共同作用产生永磁同步电机内部的旋转磁场。
利用本发明的技术方案制作的1140V矿用安全型永磁直驱变频式一体机，将变频器与电机组合在一起，减小体积、节省井下有限空间的同时还极大减小了电压尖峰对电机的不利影响，解决了变频器控制电机距离受限的问题，另外，采用低压模块串联的拓扑结构能够降低功率模块的耐压等级，使生产过程更加高效、安全、稳定。
附图说明
图1是1140V矿用安全型永磁直驱变频式一体机整体结构图；
图2是1140V矿用安全型永磁直驱变频式一体机变频器结构图；
图3是变频器主回路拓扑结构图；
图中，1、永磁同步电动机；2、变频器整体；3、腔体；4、水冷板；5、指示装置；6、接口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体描述，如图1-3所示，一种1140V矿用安全型永磁直驱变频式一体机，包括永磁同步电动机1，所述永磁同步电动机1上方固定安装有变频器整体2，所述变频器整体2分为多个腔体3，所述腔体3包括动力电源接线腔、直流电抗器接线腔，所述腔体3内部包含能够实现永磁同步电动机1矢量控制的主控单元、整流器件、电容储能模块和逆变功率单元，所述永磁同步电动机1为具有六相独立线圈绕组的永磁同步电动机1，所述此一体机使用水冷散热器进行散热；所述变频器整体2的整流部分采用三相半控桥式整流，使用二极管串联电阻接入一相输入回路的独特形式提供上电回路，省去了传统主回路结构中使用的输入接触器和可控硅，简化了电路结构、降低了生产成本；所述变频器整体2内设有水冷板4，所述水冷板4内嵌水路通道与永磁同步电动机1内部水道串接形成一个供水冷却回路，结构简单、维护方便；所述水冷板4进出水口与永磁同步电动机1水道连接处采用O型密封圈进行密封，防止冷却水外溢；所述变频器整体2壳体表面设有具有参数显示和带电指示功能的指示装置5，所述变频器整体2壳体表面设有与外部信号和主回路电缆连接的接口6；所述变频器整体2内的直流母线上串接直流电抗器，改善了滤波效果，提高了输入侧的功率因数；所述电容储能模块由两组电容组串联组成，每组电容组由多个电容并联组成，每组电容组两端还并联有均压电阻；所述变频器整体2的逆变功率单元部分采用两组两电平逆变单元串联的形式，每相桥臂上采用1700V IGBT模块串联组成，采用六相输出的回路拓扑结构，每个输出端对应连接于具有六相输入永磁同步电机的电源输入端；所述变频器整体2的六个输出端均安装有独立霍尔元件对实时电流进行采样，实现驱动控制以及电路保护功能，该结构能使控制器对驱动模块的驱动控制更加精确，并通过对各相电流间平衡度的判断来有效保护一体机稳定运行；所述六相输入永磁同步电动机1内部包含两组单元电机，每组单元电机均包含三相独立线圈绕组，相邻独立线圈绕组之间相互电气隔离，每相线圈绕组设计阻抗一致，两组单元电机中性点独立连接，六相独立线圈绕组共同作用产生永磁同步电机内部的旋转磁场。
本实施方案的特点为，永磁同步电动机上方固定安装有变频器整体，所述变频器整体分为多个腔体，所述腔体包括动力电源接线腔、直流电抗器接线腔，所述腔体内部包含能够实现永磁同步电动机矢量控制的主控单元、整流器件、电容储能模块和逆变功率单元，所述永磁同步电动机为具有六相独立线圈绕组的永磁同步电动机，所述此一体机使用水冷散热器进行散热，将变频器与电机组合在一起，减小体积、节省井下有限空间的同时还极大减小了电压尖峰对电机的不利影响，解决了变频器控制电机距离受限的问题，另外，采用低压模块串联的拓扑结构能够降低功率模块的耐压等级，使生产过程更加高效、安全、稳定。
在本实施方案中，1140V矿用安全型永磁直驱变频式一体机采用将变频器和电机组合式安装方式，根据功率等级不同，将变频器安装于电机的上方或电机非轴伸出端的端盖上形成一体机，两者通过法兰连接，采用水冷方式散热，散热器水路管道与电机水套串接形成一个冷却回路，在接口处使用O型密封圈进行密封，防止冷却水外溢。变频器整流部分采用三相半控桥式整流，使用二极管串联电阻的独特形式代替输入接触器和可控硅功能，直流母线采用电压源型电容储能滤波、电容组两端并联电阻均压，逆变部分为多组低压IGBT模块串联组成的单元、单元之间串联形成具有六相输出的主回路拓扑结构，在变频器每路输出端安装有独立霍尔元件对电流进行采样，实现驱动控制以及电路保护功能。变频器六相输出通过接线腔内的贯通口直接连接至具六相独立线圈绕组的永磁同步电动机，永磁同步电机内部包含多个单元电机，数量与变频器逆变部分逆变单元数量一致，各相绕组设计阻抗一致。
上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种1140V矿用安全型永磁直驱变频式一体机，包括永磁同步电动机（1），其特征在于，所述永磁同步电动机（1）上方固定安装有变频器整体（2），所述变频器整体（2）分为多个腔体（3），所述腔体（3）包括动力电源接线腔、直流电抗器接线腔，所述腔体（3）内部包含能够实现永磁同步电动机（1）矢量控制的主控单元、整流器件、电容储能模块和逆变功率单元，所述永磁同步电动机（1）为具有六相独立线圈绕组的永磁同步电动机（1），所述此一体机使用水冷散热器进行散热。
2.根据权利要求1所述的1140V矿用安全型永磁直驱变频式一体机，其特征在于，所述变频器整体（2）的整流部分采用三相半控桥式整流，使用二极管串联电阻接入一相输入回路的独特形式提供上电回路，省去了传统主回路结构中使用的输入接触器和可控硅，简化了电路结构、降低了生产成本。
3.根据权利要求1所述的1140V矿用安全型永磁直驱变频式一体机，其特征在于，所述变频器整体（2）内设有水冷板（4），所述水冷板（4）内嵌水路通道与永磁同步电动机（1）内部水道串接形成一个供水冷却回路，结构简单、维护方便。
4.根据权利要求3所述的1140V矿用安全型永磁直驱变频式一体机，其特征在于，所述水冷板（4）进出水口与永磁同步电动机（1）水道连接处采用O型密封圈进行密封，防止冷却水外溢。
5.根据权利要求1所述的1140V矿用安全型永磁直驱变频式一体机，其特征在于，所述变频器整体（2）壳体表面设有具有参数显示和带电指示功能的指示装置（5），所述变频器整体（2）壳体表面设有与外部信号和主回路电缆连接的接口（6）。
6.根据权利要求1所述的1140V矿用安全型永磁直驱变频式一体机，其特征在于，所述变频器整体（2）内的直流母线上串接直流电抗器，改善了滤波效果，提高了输入侧的功率因数。
7.根据权利要求1所述的1140V矿用安全型永磁直驱变频式一体机，其特征在于，所述电容储能模块由两组电容组串联组成，每组电容组由多个电容并联组成，每组电容组两端还并联有均压电阻。
8.根据权利要求1所述的1140V矿用安全型永磁直驱变频式一体机，其特征在于，所述变频器整体（2）的逆变功率单元部分采用两组两电平逆变单元串联的形式，每相桥臂上采用1700V IGBT模块串联组成，采用六相输出的回路拓扑结构，每个输出端对应连接于具有六相输入永磁同步电机的电源输入端。
9.根据权利要求8所述的1140V矿用安全型永磁直驱变频式一体机，其特征在于，所述变频器整体（2）的六个输出端均安装有独立霍尔元件对实时电流进行采样，实现驱动控制以及电路保护功能，该结构能使控制器对驱动模块的驱动控制更加精确，并通过对各相电流间平衡度的判断来有效保护一体机稳定运行。
10.根据权利要求1所述的1140V矿用安全型永磁直驱变频式一体机，其特征在于，所述六相输入永磁同步电动机（1）内部包含两组单元电机，每组单元电机均包含三相独立线圈绕组，相邻独立线圈绕组之间相互电气隔离，每相线圈绕组设计阻抗一致，两组单元电机中性点独立连接，六相独立线圈绕组共同作用产生永磁同步电机内部的旋转磁场。
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