CN110768543A - 一种矿用隔爆型高压变频器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种矿用隔爆型高压变频器，包括防爆壳体、移相变压器、变换电路、控制单元和冷却***、变换电路包括多组串联的功率单元，功率单元的交流输入端通过电缆接移相变压器的低压侧的三相输出端，防爆壳体沿纵向依次包括变压器腔、功率单元腔和控制与冷却腔，移相变压器、变换电路和控制单元和分别布置在对应的变压器腔、功率单元腔和控制腔中；变压器腔与功率单元腔之间的隔板包括电缆过孔，所述的电缆穿过电缆过孔连接移相变压器与功率单元；控制单元和冷却***的部分器件布置在控制与冷却腔中。本发明的矿用隔爆型高压变频器体积小，功率密度高。

Description

一种矿用隔爆型高压变频器
[技术领域]
本发明涉及高压变频器，尤其涉及一种矿用隔爆型高压变频器。
[背景技术]
随着技术进步，现代化矿井产能不断扩大，井下主运皮带适配电机的电压已经提升为10kV，且电机功率不断升高，原先电机直接启动的方式已经不能满足生产需要，采用10kV输入/0-10kV输出的矿用隔爆兼本质安全型高压变频器驱动，成为一种很好解决方法。传统的10kV输入/0-10kV输出的矿用隔爆兼本质安全型高压变频器普遍集成度不高，可靠性差。
申请号为CN201110271028.5的发明公开一种矿用隔爆型高压变频器，包括移相变压器单元隔爆箱和功率单元隔爆箱，移相变压器单元隔爆箱内设置有移相隔离变压器和散热***，功率单元隔爆箱内设置有多组串联的功率单元以及控制单元和散热***。移相隔离变压器的高压侧串联在三相高压电网中，多组串联的功率单元分别与移相隔离变压器的低压侧相连接，功率单元与控制单元之间通过光纤连接。
该发明的移相变压器和变频器均为独立隔爆单元，通过多条矿用隔爆电缆连接隔爆移相变压器和变频器。这造成在煤矿井下有限空间内，此种方案矿用隔爆电缆长、体积庞大，功率密度低，可靠性差。
[发明内容]
本发明要解决的技术问题是提供一种体积小，功率密度高的矿用隔爆型高压变频器。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种矿用隔爆型高压变频器，包括防爆壳体、移相变压器、变换电路、控制单元和冷却***、变换电路包括多组串联的功率单元，功率单元的交流输入端通过电缆接移相变压器的低压侧的三相输出端，防爆壳体沿纵向依次包括变压器腔、功率单元腔和控制与冷却腔，移相变压器、变换电路和控制单元和分别布置在对应的变压器腔、功率单元腔和控制腔中；变压器腔与功率单元腔之间的隔板包括电缆过孔，所述的电缆穿过电缆过孔连接移相变压器与功率单元；控制单元和冷却***的部分器件布置在控制与冷却腔中。
以上所述的矿用隔爆型高压变频器，冷却***包括内水循环***、外水循环***和变压器冷却装置，变压器冷却装置安装在变压器腔中，变压器冷却装置的水路串接在外水循环***的水路中。
以上所述的矿用隔爆型高压变频器，变压器冷却装置包括风机和热风水冷散热器，移相变压器、风机和热风水冷散热器布置在变压器腔内部的风道中，热风水冷散热器的水道串接在外水循环***的水路中。
以上所述的矿用隔爆型高压变频器，内水循环***和外水循环***通过水-水板式热交换器交换热量，外水循环***包括进水法兰接口和出水法兰接口；进水法兰接口和出水法兰接口布置在防爆壳体的侧壁上；进水法兰接口接水-水板式热交换器外循环进水口，水-水板式热交换器外循环出水口接热风水冷散热器的进水口，热风水冷散热器的出水口接出水法兰接口；内水循环***包括内循环水泵和变频器水冷散热器，水-水板式热交换器的内循环出水口接内循环水泵的入口，内循环水泵的出口通过变频器水冷散热器的水道接水-水板式热交换器的内循环进水口；内水循环***循环的冷却水为去离子水。
以上所述的矿用隔爆型高压变频器，功率单元包括一个冷却功率元器件的散热器，功率单元的散热器并接组成所述的变频器水冷散热器；水-水板式热交换器和内循环水泵布置在控制与冷却腔中。
以上所述的矿用隔爆型高压变频器，多组串联的功率单元的输出端通过两组接触器触点接高压变频器的两组输出端子，两组接触器触点并接；所述的电缆为三芯非防爆电缆，每根电缆包含3根芯线。
以上所述的矿用隔爆型高压变频器，功率单元的交流输入端为六相输入，输出为单相；功率单元包括两个单元电路，单元电路包括三相全桥整流电路，直流母线、全桥逆变电路和控制板，三相全桥整流电路的输出端通过直流母线接全桥逆变电路的输入端，全桥逆变电路的输出端为单元电路的交流输出端；全桥逆变电路的4个驱动信号输入端分别接控制板的驱动信号输出端；两个单元电路的交流输出端串接后作为功率单元的交流输出端；第一单元电路三相全桥整流电路的交流输入端接第一三相交流电源，第二单元电路三相全桥整流电路的交流输入端接第二三相交流电源。
以上所述的矿用隔爆型高压变频器，第一单元电路全桥逆变电路第一半桥的中点接功率单元交流输出端的第一端子，第二单元电路全桥逆变电路第一半桥的中点接功率单元交流输出端的第二端子；第一单元电路全桥逆变电路第二半桥的中点接第二单元电路全桥逆变电路第二半桥的中点。
以上所述的矿用隔爆型高压变频器，功率单元包括功率元器件的散热器，所述的散热器为两个单元电路共用；第一单元电路全桥逆变电路第二半桥的中点通过接地电阻接所述的散热器。
以上所述的矿用隔爆型高压变频器，通过调整两个单元电路的交流输出的相位差与输出频率，调整功率单元的输出电压。
本发明的矿用隔爆型高压变频器体积小，功率密度高。
[附图说明]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例矿用隔爆型高压变频器主回路的电路图。
图2是本发明实施例矿用隔爆型高压变频器的内部结构布置图。
图3是本发明实施例矿用隔爆型高压变频器的冷却水路***图。
图4是本发明实施例功率单元主回路的电气原理图。
图5是本发明实施例功率单元控制电路原理框图。
[具体实施方式]
本发明实施例内置移相整流变压器的高功率密度矿用隔爆兼本质安全型高压变频器的结构如图1至图3所示，此型变频器的额定输出电压最高可达10kV。此项变频器的额定输入电压为10kV，此型变频器在隔爆壳体的腔体内集成了1个整流移相变压器、12个功率单元、1个控制单元、1个水冷单元及24根三芯非防爆电缆。连接整流移相变压器与功率单元之间的电缆直接采用非防爆电缆，使得连接更加方便、快捷、安全、可靠，同时使整个变频器体积减小，成本降低。
如图1所示，XP1为变频器输入电缆接头，采用矿用隔爆型高压连接器插头，XS1为变频器输入电缆插座，采用矿用隔爆型高压连接器插座，T为整流移相变压器，A1-A4、B1-B4、C1-C4为三组串接的功率单元，KM1和KM2为高压真空接触器的触头，XS2和XS3为变频器输出插座，采用矿用隔爆型高压连接器插座，XP2和XP3为变频器输出电缆插头，采用矿用隔爆型高压连接器插头。变频器通过采用矿用隔爆型高压连接器，实现了电缆与变频器的快速接入和分离，使得变频器的安装及维护变的简单、快捷、高效。功率单元A1至A4的输出端串联连接形成U相电压、功率单元B1至B4的输出端串联连接形成V相电压、功率单元C1至C4的输出端串联连接形成W相电压、功率单元A1、B1及C1的输出端L1连接在一起形成变频器的中点。功率单元A4、B4及C4的输出端L2分别与KM1和KM2连接。通过控制KM1与KM2的接通与断开实现变频器2种运行模式：模式1、控制KM1接通KM2断开，变频器驱动一台电机；模式2、控制KM1接通KM2接通，变频器实现两路输出，同时驱动2台电机；功率单元为六相输入，线电压为690V，输出为单相，线电压为1380V。采用1380V的输出电压，使得变频器功率单元数量由常规27个或24个缩减为了12个。通过采用此型功率单元，使得此型变频器柜体设计的体积更小，功率密度更高。
A11至C83为连接功率单元与整流移相变压器副边绕组的连接电缆，每根电缆包含3根芯线，芯线之间额定工作电压为690V，芯线对地额定工作电压为10kV。
如图2所示，1为变频器的控制与冷却腔，3为功率单元腔，4为整流移相变压器腔，5为变频器的控制单元，8为变频器的内部冷却单元，9为功率单元，10为整流移相变压器，11为高压真空接触器及电流检测元器件。
功率单元腔3与整流移相变压器腔4之间的隔板上设计了电缆过孔，连接功率单元与整流移相变压器副边绕组的连接电缆可穿过此过孔进行连接。因功率单元及整流移相变压器同时放置在一个隔爆腔内，因此选用普通非隔爆型电缆即可满足要求。
功率单元腔中的功率单元分三列放置，左侧一列为串接在一起的U相功率单元，从下至上依次为A1、A2、A3、A4，中间一列为串接在一起的V相功率单元，从下至上依次为B1、B2、B3、B4、右侧一列为串接在一起的W相功率单元，从下至上依次为C1、C2、C3、C4，U相左侧为绝缘件，U相与V相之间为绝缘件，V相与W相之间为绝缘件，W相右侧为绝缘件。
本发明实施例矿用隔爆型高压变频器的冷却水路***如图3所示，包括内水循环***、外水循环***，内水循环***和外水循环***通过水-水板式热交换器S交换热量。
外水循环***包括进水法兰接口F1和出水法兰接口F2；进水法兰接口F1和出水法兰接口F2布置在防爆壳体的侧壁上，分别与外部冷却水的水源相连接。
变压器冷却装置安装在变压器腔中，包括风机F和热风水冷散热器R，移相变压器T、风机F和热风水冷散热器R布置在变压器腔内部的风道中，热风水冷散热器R的水道串接在外水循环***的水路中。
进水法兰接口F1接水-水板式热交换器S的外循环进水口，水-水板式热交换器S的外循环出水口接热风水冷散热器R的进水口，热风水冷散热器R的出水口接出水法兰接口F2，与外部冷却水源一起构成冷却水的外循环。
内水循环***包括内循环水泵P和变频器水冷散热器，水-水板式热交换器S的内循环出水口接内循环水泵P的入口。
每个功率单元包括一个冷却功率元器件的散热器B，12个功率单元的散热器B并接组成变频器水冷散热器。，内循环水泵P的出口通过并接的12个功率单元散热器B的水道接水-水板式热交换器S的内循环进水口。12个功率单元的散热器的热量通过内水循环***中的循环去离子水带到内水循环***中的水-水板式热交换器S中，通过水-水板式热交换器S传递给外水循环***，再由外水循环***散发给普通的外部冷却水。水-水板式热交换器S和内循环水泵P布置在变频器的控制与冷却腔1中。
移相变压器的热量通过循环风道被循环风带至风水换热器，通过风水换热器传递，热量被流过热风水冷散热器中的外部普通冷却水带走。
本发明以上实施例采用水冷功率单元，使得水冷功率单元的散热器体积更小，从而使功率单元体积减小，增大了功率密度。移相变压器采用风-水换热冷却的方式，解决了体积与成本的矛盾，使的移相变压器腔体体积较小而成本没有显著提高。
本发明实施例的功率单元，包括两个相同的单元电路，每个单元电路分别包括三相全桥整流电路，直流母线、全桥逆变电路、开关电源和控制板。
三相全桥整流电路的输出端通过直流母线接全桥逆变电路的输入端，全桥逆变电路的输出端为单元电路的交流输出端。
开关电源的输入端接直流母线，控制板的电源输入端接开关电源的输出端。
单元电路控制板的控制信号输入端外接级联型高压变频器主控制板的控制信号输出端，三相全桥整流电路的4个驱动信号输入端分别接控制板的驱动信号输出端。两个单元电路的交流输出端串接后作为功率单元的交流输出端。
第一单元电路三相全桥整流电路的交流输入端接第一三相交流电源，第二单元电路三相全桥整流电路的交流输入端接第二三相交流电源。
第一单元电路全桥逆变电路第一半桥的中点接功率单元交流输出端的第一端子，第二单元电路全桥逆变电路第一半桥的中点接功率单元交流输出端的第二端子。第一单元电路全桥逆变电路第二半桥的中点接第二单元电路全桥逆变电路第二半桥的中点。
两个单元电路全桥逆变电路第二半桥的中点连线通过接地电阻接散热器。散热器为两个单元电路共用，用于两个单元电路主电路功率元器件的散热降温。
本发明实施例的1400V功率单元主回路的结构如图4所示，包括两路交流700V三相电源R1、S1、T1和R2、S2、T2；两个三相全桥整流模块BR1与BR2；4个输入熔断器F11、F12、F13、F14；两个薄膜电容E1与E2；两个全桥逆变电路IGBT1和IGBT2。
全桥逆变电路IGBT1包括两个半桥IGBTL1和IGBTL2；全桥逆变电路IGBT2包括两个半桥IGBTR1、IGBTR2。
功率单元的输入为两路交流700V三相电源，其中一路700V交流电源R1、S1、T1经过熔断器F11、F12接三相全桥整流模块BR1，经BR1整流后通过直流母线接储能薄膜电容E1，薄膜电容E1后级接IGBT半桥IGBTL1、IGBTR1，其中半桥IGBTL1的输出为功率单元的一个交流输出端子L1，半桥IGBTR1的输出端接另一侧半桥IGBTL2的输出端。半桥IGBTR1与IGBTL2的连接线的中点经接地电阻R1接到功率单元的散热器上。另外一路700V交流电源R2、S2、T2经过熔断器F13、F14接三相全桥整流模块BR2，经BR2整流后通过直流母线接储能薄膜电容E2，经过薄膜电容E2后接IGBT半桥IGBTL2和IGBTR2，其中半桥IGBTR2的输出为功率单元的另一个交流输出端子L2，半桥IGBTL2输出端与另一侧半桥IGBTR1输出端相连。本发明实施例的功率单元的输出端子L1、L2输出两路交流电源之和为1400V。
本实施例功率单元主回路输入为两路交流700V三相电源，输出为1400V。主回路的母线电压为989V，还不到1000V，可以直接采用低电压等级的功率器件。功率单元的三相全桥整流模块BR1与BR2，4个IGBT半桥IGBTL1、IGBTL2、IGBTR1、IGBTR2统一安装在功率单元的整体散热器上，其开关管由散热器散热降温。功率单元的两个半桥IGBTR 1与IGBTL2的连接点通过接地电阻R1连接到散热器，两路电源各自对散热器的最大电压差为989V，因此主回路的功率器件可以使用低电压等级的功率器件，电气绝缘也只需要按低电压等级。
本实施例的1400V功率单元控制电路的电气原理如图5所示，包括；两块开关电源板(开关电源1与开关电源2)；两块控制板(控制板1与控制板2)。
开关电源1的输入接第一单元电路的直流母线电压DC1+、DC1-，开关电源1的输出给控制板1供电，控制板1的控制芯片驱动全桥逆变电路IGBT1(两个半桥IGBTL1与IGBTR1)的4个开关管。开关电源2输入接第一单元电路的直流母线电压DC2+、DC2-，开关电源2输出给控制板2供电，控制板2的控制芯片驱动全桥逆变电路IGBT2(两个半桥IGBTL2与IGBTR2)的4个开关管。级联型高压变频器的主控制板与功率单元的两块控制板通讯，功率单元的控制两块控制板输出PWM波形，两块控制板输出的PWM波形控制两个全桥逆变电路IGBT1和IGBT2(4个IGBT半桥IGBTL1、IGBTL2、IGBTR1、IGBTR2)开关管的开通与关断，第一全桥逆变电路IGBT1的输出波形与第二全桥逆变电路IGBT2的输出波形有一定相位差，使功率单元输出端子L1与L2实现输出电压为可调的单相多电平电压波形，通过调整第一全桥逆变电路IGBT1的输出波形与第二全桥逆变电路IGBT2的输出波形的相位差与输出频率，使功率单元的L1与L2输出电压达到1400V。
本发明以上实施例的1400V功率单元，主回路的结构不仅可以为功率单元的小型化提供了优质的解决方案，同时为整机的功率单元数量减少。以及为整个高压变频调速器的一体化、小型化提供了有效解决方案。

Claims (10)

1.一种矿用隔爆型高压变频器，包括防爆壳体、移相变压器、变换电路、控制单元和冷却***、变换电路包括多组串联的功率单元，功率单元的交流输入端通过电缆接移相变压器的低压侧的三相输出端，其特征在于，防爆壳体沿纵向依次包括变压器腔、功率单元腔和控制与冷却腔，移相变压器、变换电路和控制单元和分别布置在对应的变压器腔、功率单元腔和控制腔中；变压器腔与功率单元腔之间的隔板包括电缆过孔，所述的电缆穿过电缆过孔连接移相变压器与功率单元；控制单元和冷却***的部分器件布置在控制与冷却腔中。
2.根据权利要求1所述的矿用隔爆型高压变频器，其特征在于，冷却***包括内水循环***、外水循环***和变压器冷却装置，变压器冷却装置安装在变压器腔中，变压器冷却装置的水路串接在外水循环***的水路中。
3.根据权利要求2所述的矿用隔爆型高压变频器，其特征在于，变压器冷却装置包括风机和热风水冷散热器，移相变压器、风机和热风水冷散热器布置在变压器腔内部的风道中，热风水冷散热器的水道串接在外水循环***的水路中。
4.根据权利要求3所述的矿用隔爆型高压变频器，其特征在于，内水循环***和外水循环***通过水-水板式热交换器交换热量，外水循环***包括进水法兰接口和出水法兰接口；进水法兰接口和出水法兰接口布置在防爆壳体的侧壁上；进水法兰接口接水-水板式热交换器外循环进水口，水-水板式热交换器外循环出水口接热风水冷散热器的进水口，热风水冷散热器的出水口接出水法兰接口；内水循环***包括内循环水泵和变频器水冷散热器，水-水板式热交换器的内循环出水口接内循环水泵的入口，内循环水泵的出口通过变频器水冷散热器的水道接水-水板式热交换器的内循环进水口；内水循环***循环的冷却水为去离子水。
5.根据权利要求4所述的矿用隔爆型高压变频器，其特征在于，功率单元包括一个冷却功率元器件的散热器，功率单元的散热器并接组成所述的变频器水冷散热器；水-水板式热交换器和内循环水泵布置在控制与冷却腔中。
6.根据权利要求1所述的矿用隔爆型高压变频器，其特征在于，多组串联的功率单元的输出端通过两组接触器触点接高压变频器的两组输出端子，两组接触器触点并接；所述的电缆为三芯非防爆电缆，每根电缆包含3根芯线。
7.根据权利要求1所述的矿用隔爆型高压变频器，其特征在于，功率单元的交流输入端为六相输入，输出为单相；功率单元包括两个单元电路，单元电路包括三相全桥整流电路，直流母线、全桥逆变电路和控制板，三相全桥整流电路的输出端通过直流母线接全桥逆变电路的输入端，全桥逆变电路的输出端为单元电路的交流输出端；全桥逆变电路的4个驱动信号输入端分别接控制板的驱动信号输出端；两个单元电路的交流输出端串接后作为功率单元的交流输出端；第一单元电路三相全桥整流电路的交流输入端接第一三相交流电源，第二单元电路三相全桥整流电路的交流输入端接第二三相交流电源。
8.根据权利要求7所述的矿用隔爆型高压变频器，其特征在于，第一单元电路全桥逆变电路第一半桥的中点接功率单元交流输出端的第一端子，第二单元电路全桥逆变电路第一半桥的中点接功率单元交流输出端的第二端子；第一单元电路全桥逆变电路第二半桥的中点接第二单元电路全桥逆变电路第二半桥的中点。
9.根据权利要求7所述的矿用隔爆型高压变频器，其特征在于，功率单元包括功率元器件的散热器，所述的散热器为两个单元电路共用；第一单元电路全桥逆变电路第二半桥的中点通过接地电阻接所述的散热器。
10.根据权利要求7所述的矿用隔爆型高压变频器，其特征在于，通过调整两个单元电路的交流输出的相位差与输出频率，调整功率单元的输出电压。
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