CN215678531U

CN215678531U - 集成式变频调速系统的瞬时耦合电压检测装置

Info

Publication number: CN215678531U
Application number: CN202122023711.9U
Authority: CN
Inventors: 李宾; 徐锡伟; 吕京京; 尹喆; 张勇; 张旭; 杨雯; 张忠心; 崔岩
Original assignee: Anshan Hongwei Power Equipment Co ltd
Current assignee: Anshan Hongwei Power Equipment Co ltd
Priority date: 2021-08-26
Filing date: 2021-08-26
Publication date: 2022-01-28
Anticipated expiration: 2031-08-26

Abstract

本实用新型属于变频调速技术领域，尤其是涉及一种集成式变频调速系统的瞬时耦合电压检测装置，其特征在于包括由用金属外壳保护的集成式变频调速系统、耦合式传感器阵列、测量模块阵列和数据采集处理系统，集成式变频调速系统放入金属外壳之内、并由上盖板和下盖板封闭，耦合式传感器阵列包括设置在金属外壳壁上的若干个耦合式传感器。本实用新型提出一种基于耦合传感器的集成式变频调速设备瞬时过冲电压非接触测量方法，完全克服了扎针式等直接测量法造成的电场畸变和绝缘破坏等问题。

Description

集成式变频调速系统的瞬时耦合电压检测装置

技术领域

本实用新型属于变频调速技术领域，尤其是涉及一种集成式变频调速系统的瞬时耦合电压检测装置。

背景技术

变频器是一种利用电力半导体器件的通断作用，把工频交流电变换成各种频率、电压连续可调的交流电，以实现电机变速运行的电能控制装置，由于它具有卓越的调速及节能性能、体积小、成本低、使用寿命长、维护方便等优点，被广泛地应用于工矿企业交流电动机调速系统中，降低电机启动时造成的冲击载荷。

变频器小型化发展，导致变频器和电机的集成设计成为一种可能，从而使集成式变频调速系统应运而生。但是，变频器作为电力电子设备，以开关元器件为其核心部件，变频器本身就是一个对外干扰源，且其自身也易受外界干扰。同时，电机是一个复杂的电磁系统，本身也是一个对外干扰源。因此，集成式变频调速系统的电磁兼容问题十分突出。由于变频器与电机由电气连接，在变频调速过程中由于开关操作或过程控制时均会产生含有丰富频率分量的快速瞬时过冲电压通过连接线传输至线圈首端。这种快速瞬时过冲电压对变频调速系统带来的威胁主要有两个方面：第一，沿线圈形成极不均匀的电位分布，在局部线圈间产生极大的电位梯度，造成相应的绝缘破坏；第二，当传入电磁波含有线圈自然频率分量时，会引起线圈内的电磁震荡，形成更高的过冲电压，导致变频调速系统硬件的损坏。为防止瞬时过冲电压给变频调速系统带来不利影响，通常采用直接测量法来监测变频调速系统绕组电压分布情况，即将电压探头与绕组导线直接连接进行测量。但这种方法由于测量引线的介入将直接改变绕组结构和分布参数，从而导致暂态过程发生变化，使得测量结果与实际情况不一致；同时测量引线会破坏绕组的绝缘层，造成绝缘结构损坏。

发明内容

本实用新型的目的是提出一种基于耦合传感器的集成式变频调速系统快速瞬时过冲电压的非接触式测量方法，及其结构与工作原理，提高测量装置的响应特性与测量精度。

本实用新型的目的是通过下述技术方案来实现的：

本实用新型的集成式变频调速系统的瞬时耦合电压检测装置，其特征在于包括由用金属外壳保护的集成式变频调速系统、耦合式传感器阵列、测量模块阵列和数据采集处理系统，所述的集成式变频调速系统放入所述的金属外壳之内、并由上盖板和下盖板封闭，所述的耦合式传感器阵列包括设置在所述金属外壳壁上的若干个耦合式传感器。

所述的集成式变频调速系统包括信号检测、控制器和功率模块驱动电路。

所述的耦合式传感器包括外壳、测量线接头、介质膜和感应电极。

所述的耦合式传感器的低压臂电容为液晶聚合物薄膜材料。

本实用新型的优点：

(1)本实用新型的集成式变频调速系统的瞬时耦合电压检测装置，提出一种基于耦合传感器的集成式变频调速设备瞬时过冲电压非接触测量方法，完全克服了扎针式等直接测量法造成的电场畸变和绝缘破坏等问题；

(2)本实用新型的集成式变频调速系统的瞬时耦合电压检测装置，低频响应可小于1HZ，高频响应大于100MHZ，能够有效地测量工频电压，强电流瞬时冲击，以及快速瞬时过冲等高频高压脉冲的测量要求；

(3)本实用新型的集成式变频调速系统的瞬时耦合电压检测装置，测量了集成式变频调速系统在不同参数瞬时强电波、快速上升前沿方波、高频振荡波下的瞬时电压空间分布特性，并分析出波形参数对集成式变频调速系统瞬时电压分布的影响，为集成式变频调速系统的绝缘设计提供可靠的依据。

附图说明

图1为本实用新型集成式变频调速系统电磁干扰路径框图。

图2为本实用新型耦合传感器结构图。

图3为本实用新型电容分压电路图。

图4为本实用新型具有积分功能的耦合传感器等效电路图。

图5为本实用新型具有阻抗变换与积分功能的测量电路图。

图6为本实用新型集成式变频调速系统组成框图。

图7为本实用新型的组成框图。

图8为本实用新型集成式变频调速系统瞬时耦合电压测量原理图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型的具体实施方式。

如图1-8所示，本实用新型的集成式变频调速系统的瞬时耦合电压检测装置，其特征在于包括由用金属外壳保护的集成式变频调速系统、耦合式传感器阵列、测量模块阵列和数据采集处理系统，所述的集成式变频调速系统放入所述的金属外壳之内、并由上盖板和下盖板封闭，所述的耦合式传感器阵列包括设置在所述金属外壳壁上的若干个耦合式传感器。

所述的耦合式传感器包括外壳2、测量线接头1、介质膜3和感应电极4。

所述的耦合式传感器的低压臂电容为液晶聚合物薄膜材料。

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行详细描述。

参考图1，集成式变频调速系统工作时，变频器是一个强大的干扰源，其干扰途径主要有辐射、电磁耦合、传导、二次辐射和传导与辐射交互干扰等；这些干扰将对系统中的各个设备产生强烈的影响，传导干扰会使直接驱动的电机产生电磁噪声；传导干扰和电磁耦合会对变压器以及与电源连接的所有设备产生重大影响。这些干扰所产生含有丰富频率分量的快速瞬时过冲电压，会直接影响集成式变频调速系统的绝缘结构，造成系统的故障或工作不稳定。

参考图2、图3，快速瞬时过冲电压测量装置的原理是利用绕组与感应电极之间的耦合电容作为高压臂电容，感应电极与接地电极之间的介质电容作为低压臂电容的电容分压器，通过电容分压实现线圈瞬时过冲电压的非接触式宽带测量。耦合式传感器结构如图2所示，电路工作原理如图3所示。快速瞬时过冲电压测量装置在设计须遵循以下几方面要求：

感应电极的优化设计：

感应电极应与绕组导线平行放置，保证感应电极为等位面；感应电极沿线圈切向尺寸由下式计算：

式中：d为感应电极切向尺寸；C₀为光速；fm为被测瞬时过冲电压的最高频率，

为电极表面允许的最大电位梯度。

根据大量试验，本实用新型确定被测瞬时过冲电压的最高频率为：≥100MHZ，最大电位梯度为3％；由此选定：感应电极沿线圈切向尺寸为：200mm；轴向尺寸为：20mm；线圈导线与感应电极间距离为：20cm；黄铜电极的厚度为：0.06mm。

低压臂电容设计：

构成低压臂电容选用液晶聚合物薄膜，其高频特性好，高频损耗因子在1KHZ-45GHZ范围内均十分稳定，1GHZ频率下介电常数为28，介质损耗仅为0.0025；并且传输线损失小，阻抗值稳定，电气性能优良；同时尺寸稳定性好、吸湿性低、物理性能与成型性好、绝缘性好，在酸碱溶液中都比较稳定。本实用新型低压臂电容采用d₁＝0.08mm厚的液晶聚合物薄膜，电容值为1.2nF。

接头设计：

接头用于连接同轴电缆，为确保连接可靠且接触电阻小，其中心接触件的插针为黄铜厚镀金，插孔为锡青铜厚镀金；壳体及其他金属件均为黄铜镀镍，绝缘件采用聚四氟乙烯，密封圈采用硅橡胶。

参考图4，快速瞬时过冲电压测量工作于微分模式时须使用积分器来还原信号，积分器放在测量电缆末端。本实用新型选积分电阻R_j＝50Ω，积分电容C_j＝210PF，测量装置对原始信号取得最佳还原效果，并且上限截止频率大于100MHZ。

参考图5，为使快速瞬时过冲电压测量装置的下限截止频率小于1HZ，本实用新型在耦合传感器和测量电缆之间增加阻抗变换器，阻抗变换器电压放大倍数K＝1，输入电阻R_i＝1012Ω，输出阻抗R₀＝50Ω，带宽：DC-650MHZ。

参考图6，集成式变频调速系统是将变频器装在电机本体的上部，将电机和变频器一体化，集成式变频调速系统主要由信号检测、控制器、功率模块驱动电路等组成。信号检测是通过传感器检测电压、电流、转速等信号。控制器为控制系统的核心部分，负责对信号的处理，产生相应的控制信号，并对整个系统状态进行监控。功率模块驱动电路根据控制电路输出的控制信号产生相应的驱动脉冲信号，控制功率开关元器件的通断。

参考图7，集成式变频调速系统的瞬时耦合过冲电压检测装置由用金属外壳保护的集成式变频调速系统、耦合式传感器阵列、测量模块阵列、数据采集处理系统所组成。集成式变频调速系统放入方形金属外壳之内，并由上、下盖板封闭。在方形金属外壳壁上安装若干个耦合传感器构成传感器阵列；安装时须注意传感器感应电极要与被测线匝绕组导线平行，保证感应电极为等位面。当集成式变频调速系统工作时，如有瞬时过冲干扰电压加载于线匝绕组之上时，对应的耦合式电容传感器便能分压下来该干扰电压值，并由对应的测量模块将其测量出来，再通过数据采集处理系统处理出该瞬时过冲干扰电压的幅值，频率，相位等参数值。

参考图8，在集成式变频调速系统工作时，当有瞬时过冲干扰电压加载于线匝绕组之上时，U_i-1、U_i-2、……U_i-n-1、U_i-n，依次为第1个、第2个、……第n-1个、第n个被测线匝绕组上瞬时过冲电压值，C_1-1、C_1-2、……C_1-m-1、C_1-m依次为高压臂电容值，C_2-1、C_2-2、……C_2-n-1、C_2-n依次为低压臂电容值；U_o-1、U_o-2、……U_o-n-1、U_o-n依次为第一个测量模块、第二个测量模块……第n-1个测量模块、第n个测量模块测量出的瞬时过冲电压值；U_o-1、U_o-2、……U_o-n-1、U_o-n送到数据采集处理系统，便得到第1个、第2个、……第n-1个、第n个被测线匝绕组上的瞬时过冲电压的幅值、频率、相位等参数，并由此得到瞬时过冲电压的空间分布特性，为集成式变频调速系统的绝缘设计与运行控制提供可靠保障。

本实用新型的集成式变频调速系统的瞬时耦合电压检测装置，提出一种基于耦合传感器的集成式变频调速设备瞬时过冲电压非接触测量方法，完全克服了扎针式等直接测量法造成的电场畸变和绝缘破坏等问题；低频响应可小于1HZ，高频响应大于100MHZ，能够有效地测量工频电压，强电流瞬时冲击，以及快速瞬时过冲等高频高压脉冲的测量要求；测量了集成式变频调速系统在不同参数瞬时强电波、快速上升前沿方波、高频振荡波下的瞬时电压空间分布特性，并分析出波形参数对集成式变频调速系统瞬时电压分布的影响，为集成式变频调速系统的绝缘设计提供可靠的依据。

Claims

1.一种集成式变频调速系统的瞬时耦合电压检测装置，其特征在于包括由用金属外壳保护的集成式变频调速系统、耦合式传感器阵列、测量模块阵列和数据采集处理系统，所述的集成式变频调速系统放入所述的金属外壳之内、并由上盖板和下盖板封闭，所述的耦合式传感器阵列包括设置在所述金属外壳壁上的若干个耦合式传感器。

2.根据权利要求1所述的集成式变频调速系统的瞬时耦合电压检测装置，其特征在于所述的集成式变频调速系统包括信号检测、控制器和功率模块驱动电路。

3.根据权利要求1所述的集成式变频调速系统的瞬时耦合电压检测装置，其特征在于所述的耦合式传感器包括外壳、测量线接头、介质膜和感应电极。

4.根据权利要求1所述的集成式变频调速系统的瞬时耦合电压检测装置，其特征在于所述的耦合式传感器的低压臂电容为液晶聚合物薄膜材料。