CN108880278A - 一种1140v永磁直驱式变频电机一体机主回路结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种1140V永磁直驱式变频电机一体机主回路结构，包括预充电单元（2），整流单元（3），滤波单元（5），逆变单元（6）和电机单元（12）；所述预充电单元（2）由一个普通二极管模块和电阻串联而成；所述整流单元（3）为三相半控桥式整流；所述滤波单元（5）为电压源型电容储能滤波；所述逆变单元（6）为多组两电平拓扑串联结构；所述电机单元为多相永磁直驱同步电动机（12）；上述各单元之间通过铜排或层叠母排进行连接。本发明采用的永磁变频电机一体机的主回路结构，体积更小，结构更为简单，电机部分为永磁直驱同步电机，启动转矩更大，节能环保效果更好，性能更为优越。
Description
技术领域
本发明涉及矿用防爆变频电机一体机，具体涉及一种1140V永磁直驱式变频电机一体机主回路结构。
背景技术
目前，永磁变频电机一体机的应用还十分少见，所用设备基本都为变频器和电机分开配合使用，需要占用大量的安装空间，同时大部分变频器安装时与电机的距离较远,不仅安装较为复杂,而且较长的电缆增加安装成本的同时还会产生较多的干扰，使du/dt增大，影响变频器驱动性能的同时还会影响电机的绝缘性能，降低电机的使用寿命。
过去，矿井下等应用电机的场合应用多为异步电机，但相比异步电机来说，永磁同步电机效率更高，启动转矩更大，在节约电能消耗和减小对电网容量依赖的等方面相比异步电机也具有较大优势。目前，永磁同步电机由于其优点突出，在矿山自动化逐步得到了较为广泛的应用。同时，由于在矿山自动化领域应用的永磁同步电机多为高压大功率永磁同步电机，所以对驱动变频器的要求也变得越来越高。
变频电机一体机还未得到广泛的应用，市面上所见的一体机大多体积较大，结构较为复杂，一体机电机部分也大多为异步电机结构，存在众多的不足之处，性能有待提高，市面上迫切的希望体积小，结构简单，性能优越的永磁变频电机一体机的出现。
发明内容
为了解决目前矿井下应用变频器和电机的缺点与不足，本发明提供一种新的1140V永磁直驱式变频电机一体机主回路结构，主要针对目前矿井下变频器和电机大多分开使用且电机多为异步电机。不仅安装复杂困难，需要占用很大面积，成本较高，还会产生较多的干扰等问题。本发明采用的永磁变频电机一体机的主回路结构，与市面上所见到的变频器电机一体机相比体积更小，结构更为简单，电机部分为永磁直驱同步电机，启动转矩更大，节能环保效果更好，性能更为优越。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种1140V永磁直驱式变频电机一体机主回路结构，包括预充电单元（2），整流单元（3），滤波单元（5），逆变单元（6）和电机单元（12）；所述预充电单元（2）由一个普通二极管模块和电阻串联而成；所述整流单元（3）为三相半控桥式整流；所述滤波单元（5）为电压源型电容储能滤波；所述逆变单元（6）为多组两电平拓扑串联结构；所述电机单元为多相永磁直驱同步电动机（12）；上述各单元之间通过铜排或层叠母排进行连接。
优选的，所述预充电单元采用串联的形式，接在某一相的电源输入和整流后的P端，与该相整流桥上桥臂为并联结构。
优选的，所述整流单元（3）为三相六脉波输出，采用多个集成模块串联使用；每个模块内集成一个可控晶闸管元件和一个二极管元件，所述整流单元的整流上桥臂使用元件为可控晶闸管，下桥臂使用元件为整流二极管。
优选的，所述滤波单元（5）由多组电容器组串联组成，各电容器组中电容为并联结构，各电容器均并联有低压水泥电阻，由低压水泥电阻串联均压；滤波单元的各电容器之间通过层叠母排进行连接并固定在电容架上。
优选的，所述滤波单元（5）与所述整流单元之间还串接有电抗器，所述电抗器为直流电抗器（4）。
优选的，逆变单元（6）为多组两电平拓扑结构串联组成，低压模块串联使用，可多相输入输出。
优选的，在逆变单元的每相输出上都接有独立的霍尔采样模块进行采样。
优选的，所述电机单元（12）中各相绕组采用独立结构且参数一致。
本发明的有益效果体现在以下几个方面：
（1）预充电单元由一个二极管和电阻构成，简化了主回路结构，降低了生产成本；
（2）整流单元为三相半控式整流，三相六脉波输出；与传统的三相二极管桥式整流相比，实现系统可控上电的同时还可省略前端输入接触器的使用，不仅结构变得更为简单，降低了成本，系统的安全性和稳定性也得到较大的提升。与全控式整流相比，半控式整流功能优良的同时还保证了低生产成本。
（3）滤波单元采用电压源型储能滤波，低压电阻串联均压，滤波后直流电压基本无脉动且电源阻抗小。
（4）滤波单元和整流单元之间串接直流电抗器，将整流后的交流分量限定在某一规定值，减小了电流脉动，抑制了谐波产生，提高了输入功率因数。
（5）逆变单元的设计应用降低了高压大功率对于各功率模块的耐压等级要求，使低压模块能够在高压大功率中得到广泛应用，并有效的降低生产成本。而且驱动过程中采用本结构还能有效的降低电机每相绕组上的du/dt，使电机的绝缘老化程度降低，延长电机的使用寿命。
（6）每相输出上都接有霍尔模块进行采样，通过检测每相的电流以及电流的平衡度可判断每相驱动是否运行异常，降低了整个系统的故障风险。
（7）电机单元为多相永磁同步电机结构，启动转矩大，效率更高，运行更平稳，节能效果也更好，相比于常见一体机采用的异步电机结构，性能得到较大的提升。
（8）1140V永磁直驱式变频电机一体机主回路结构各单元安排合理，各单元之间的安装结构相对独立，方便后期的检修；结构更为简单，降低了整个永磁变频电机一体机的体积，从而有效的降低了在使用场合的安装面积。
附图说明
为了更清楚的说明本发明1140V永磁直驱式变频电机一体机主回路结构，下面将对本发明实施例中所需要的附图做简单的介绍。显而易见的，下面中描述的附图只是本发明的一种实施例，我们可以根据本实施例的内容和附图，在不付出创造性劳动的前提下，轻松的获得本发明中的主回路结构的其他表现形式的附图。
图1是本发明1140V永磁直驱式变频电机一体机主回路结构实施例的立体结构图
图2是本发明1140V永磁直驱式变频电机一体机主回路结构的一种电路原理图
图1标记说明如下：
1-输入接线端子，2-预充电单元，3-整流单元，4-直流电抗器，5-滤波单元，6-逆变单元，7-水冷板，8-驱动控制单元，9-左侧逆变输出端子，10-右侧逆变输出端子，11-电机接线，12-电机单元，13-霍尔采样模块,14-分压电阻。
图2标记说明如下：
R/S/T-三相交流电压输入，D-普通整流二极管，DT-半控整流模块，R-电阻，L-直流电抗器 C-电容器，IGBT-逆变模块，H-霍尔传感器，M-永磁同步电机。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题，提出的技术方案更清晰明白，下面将结合附图对实施例的具体实施方案做进一步的说明，所描述的只是本发明提出的1140V主回路结构的一种实施例，其他通过本实施例在不付出创造性劳动的前提下得到的其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例1 一种1140V永磁直驱式变频电机一体机主回路结构，如图1-2所示，包括预充电单元（2）、整流单元（3），滤波单元（5）、逆变单元（6），冷却单元，电机单元（12）。各单元之间通过铜排、层叠母排等进行连接；其中冷却单元为水冷板（7）。
电源R、S、T输入后固定到输入接线端子（1）上，通过铜排连接到预充电单元（2）和整流单元（3）。三相输入分别连接到整流单元每一个桥臂的可控晶闸管模块和二极管模块的连接处。
预充电单元（2）由一个普通二极管模块和电阻组成，通过铜排和线缆，一端接在R相输入，另一端接在整流后的P端，与R相整流桥臂的上桥臂为并联结构。正常上电后，预充电单元（2）的二极管正向导通，通过预充电电阻后连接到母线开始为系统充电，相比普遍的可控硅配合上电缓冲电阻的方法采用这种方法既避免由于电容器电压不能突变导致的上电瞬间的电流冲击又简化了结构。当系统储能电容器充到一定电压后，一体机控制部分开关电源开始工作从而为整个控制驱动电路提供工作电压，控制驱动部分下发导通信号，使整流桥上桥臂的可控晶闸管导通，系统正常工作，此后预充电单元失效。
整流单元（3）为三相半控桥式整流，由三个半控整流模块组成，每个模块内含有一个可控晶闸管和一个整流二极管。整流上桥臂使用元件为可控晶闸管，下桥臂使用元件为整流二极管，系统正常工作后，晶闸管控制信号一直处于开通状态，此时晶闸管工作特性上相当于普通二极管，构成三相六脉波整流电路，随着输入三相电压相位的变化，由于二极管正向导通反向截止的特性，三相桥臂上的晶闸管和二极管有序的开通和关断，最终把输入三相交流电压整流成脉动的直流电压。
整流后的P端输出通过铜排连接到直流电抗器（4），进行整流后电压的平波处理，经过直流电抗器后，整流后的交流分量被限定在某一规定值，减小了电流脉动，拟制了谐波产生，提高了输入功率因数；电抗器的输出端连接到滤波单元（5）的正端。整流后的N端连接到滤波单元（5）的负端。
滤波单元（5）由薄膜电容器组串联组成，每组电容器组间薄膜电容为并联连接。每个电容器上均并联有低压电阻进行均压处理。各薄膜电容器固定在结构支架上，各薄膜电容器之间通过铜排和螺栓进行固定连接。脉动的直流电压经过薄膜电容器后，由于电容器的储能和充放电效应，最终将脉动的直流电压滤波成我们方便调控的直流电压。
直流电压经薄膜电容器滤波后，连接到耐高压，大功率，高阻值的电阻，利用电阻的分压原理（14）进行分压处理，从而得到我们所需要的电平。
逆变单元（6）采用两组两电平拓扑结构串联组成，各单元拓扑均由低压模块串联组成，每一个模块内含有两个IGBT。各模块之间通过铜排进行连接。各模块上还接有吸收电容以及电压钳位电阻等。电压钳位电阻由低压水泥电阻串联组成。正常工作时，通过控制部分的驱动信号控制各IGBT的开通和关断，最终将直流电压逆变成各种频率可调的交流电压。本主回路逆变单元的设计有效降低电机每相绕组上的du/dt，使电机的绝缘老化程度降低，延长电机的使用寿命，而且还降低了高压大功率对于各功率模块的耐压等级要求，使低压模块能够在高压大功率中得到广泛应用，丰富了设计，有效的降低生产成本。
在逆变单元（6）的每相输出上均接有电流霍尔采样模块（13），其中霍尔采样模块为霍尔传感器；通过检测每相的电流以及电流的平衡度可判断每相驱动是否运行异常，降低了整个系统的故障风险；
驱动单元（9）的驱动电路板层叠排布，接线端子之间的距离相对较短，减小了电路连接之间存在的杂散电感以及各种噪声的干扰等。整个系统的工作由驱动单元进行控制，包括对整个系统的温度、电压、电流的采样及各种故障的保护。
电机单元（12）在整个系统的最下部，为多相永磁同步电机，电机接线（11）与逆变单元（6）的输出端最近距离靠近。通过线缆进行连接，电机接线（11）处，通过绝缘树脂进行密封处理。逆变后的交流电压连接到电机的输入端，绕组产生的磁场与永磁体本身产生的磁场相互作用，最终定子的旋转磁场拉着转子同步旋转。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种1140V永磁直驱式变频电机一体机主回路结构，包括预充电单元（2），整流单元（3），滤波单元（5），逆变单元（6）和电机单元（12）；其特征在于：所述预充电单元（2）由一个普通二极管模块和电阻串联而成；所述整流单元（3）为三相半控桥式整流；所述滤波单元（5）为电压源型电容储能滤波；所述逆变单元（6）为多组两电平拓扑串联结构；所述电机单元为多相永磁直驱同步电动机（12）；上述各单元之间通过铜排或层叠母排进行连接。
2.根据权利要求1所述的主回路结构，其特征在于：所述预充电单元采用串联的形式，接在某一相的电源输入和整流后的P端，与该相整流桥上桥臂为并联结构。
3.根据权利要求1所述的主回路结构，其特征在于：所述整流单元（3）为三相六脉波输出，采用多个集成模块串联使用；每个模块内集成一个可控晶闸管元件和一个二极管元件，所述整流单元的整流上桥臂使用元件为可控晶闸管，下桥臂使用元件为整流二极管。
4.根据权利要求1所述的主回路结构，其特征在于：所述滤波单元（5）由多组电容器组串联组成，各电容器组中电容为并联结构，各电容器均并联有低压水泥电阻，由低压水泥电阻串联均压；滤波单元的各电容器之间通过层叠母排进行连接并固定在电容架上。
5.根据权利要求1所述的主回路结构，其特征在于：所述滤波单元（5）与所述整流单元之间还串接有电抗器，所述电抗器为直流电抗器（4）。
6.根据权利要求1所述的主回路结构，其特征在于：逆变单元（6）为多组两电平拓扑结构串联组成，低压模块串联使用，多相输入输出。
7.根据权利要求6所述的主回路结构，其特征在于：在逆变单元的每相输出上都接有独立的霍尔采样模块进行采样。
8.根据权利要求1所述的主回路结构，其特征在于：所述电机单元（12）中各相绕组采用独立结构且参数一致。
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