一种高频矩阵式轻量型全封闭高压变频装置

摘要

本发明公开了一种高频矩阵式轻量型全封闭高压变频装置，包括与电网输入侧连接的高压电源，高压电源通过线缆依次电连接有输入保护单元、输入滤波单元、变频单元及主控制器，变频单元的输出端还通过线缆依次电连接有输出滤波单元和输出保护单元，输出保护单元通过线缆电连接高压电机输出侧，主控制器还通过线缆电连接有散热单元。本发明的一种高频矩阵式轻量型全封闭高压变频装置，节省了整流单元，使用少量高频IGBT，显著降低成本；系统直接承受高压，实现了无变压器式结构，消除了变压器损耗，大幅度提高系统效率；实现了集装箱式橇装，达到了单橇运输要求；结构为全封闭自循环散热形式，减小了外部污染物对装置的影响，提高了安全可靠性。

权利要求

1.一种高频矩阵式轻量型全封闭高压变频装置，其特征在于，包括与电网输入侧连接的高压电源（1），所述高压电源（1）通过线缆依次电连接有输入保护单元（2）、输入滤波单元（3）、变频单元（4）及主控制器（5），所述变频单元（4）的输出端还通过线缆依次电连接有输出滤波单元（6）和输出保护单元（7），所述输出保护单元（7）通过线缆电连接高压电机输出侧，所述主控制器（5）还通过线缆电连接有散热单元（8）；

所述散热单元（8）连接有外部辅助电源（9）；

所述高压电源（1）包括与10kV电网侧电连接的10kVA三相交流高压电开合刀闸，三相分别为A、B、C三相，A、B、C三相均与输入保护单元（2）通过线缆电连接；

所述输入保护单元（2）包括并列设置有三组接触器（2‑1），三组所述接触器（2‑1）分别通过线缆电连接对应高压电源（1）的A、B、C三相，所述接触器（2‑1）另一端通过线缆电连接有熔断器（2‑2），三组所述熔断器（2‑2）的另一端通过线缆电连接有所述输入滤波单元（3）；

所述输入滤波单元（3）包括三组并列设置的滤波器（3‑1），三组所述滤波器（3‑1）分别对应电连接三组所述熔断器（2‑2），三组所述滤波器（3‑1）的另一端均电连接所述变频单元（4）；

所述变频单元（4）包括并列设置的九个集成模块（4‑1），分别记为集成模块a、集成模块b、集成模块c、集成模块d、集成模块e、集成模块f、集成模块g、集成模块h、集成模块i，与所述高压电源（1）A相对应的滤波器（3‑1）通过线缆分别电连接所述集成模块c、集成模块f、集成模块i，与所述高压电源（1）B相对应的滤波器（3‑1）通过线缆分别电连接所述集成模块b、集成模块e、集成模块h，与所述高压电源（1）C相对应的滤波器（3‑1）通过线缆分别电连接所述集成模块a、集成模块d、集成模块g，九个所述集成模块（4‑1）均通过光纤与主控制器（5）电连接；

每个所述集成模块（4‑1）均有八个反串联IGBT子模块组成，八个反串联IGBT子模块中的第一个IGBT子模块与对应的滤波器（3‑1）连接，八个反串联IGBT子模块中的第八个IGBT子模块与输出滤波单元（6）连接；

所述输出滤波单元（6）包括三组并列设置的滤波器a（6‑1），所述集成模块a、集成模块b、集成模块c的另一端通过线缆汇聚到一条线缆后作为输出A相连接第一组所述滤波器a（6‑1），所述集成模块d、集成模块e、集成模块f的另一端通过线缆汇聚到一条线缆作为输出B相连接第二组所述滤波器a（6‑1），所述集成模块g、集成模块h、集成模块i的另一端通过线缆汇聚到一条线缆作为输出C相连接第三组所述滤波器a（6‑1），三组所述滤波器a（6‑1）的另一端通过线缆连接所述输出保护单元（7）；

所述输出保护单元（7）包括三组并列设置的接触器a（7‑1），三组所述接触器a（7‑1）分别通过线缆与三组所述滤波器a（6‑1）连接，与输出A、B、C相对应的三组所述接触器a（7‑1）分别对应连接高压电机输出侧的三相；

还包括集装箱（10），所述高压电源（1）、输入保护单元（2）、输入滤波单元（3）、变频单元（4）、主控制器（5）、输出滤波单元（6）和输出保护单元（7）以及散热单元（8）均设置在集装箱（10）内，所述散热单元（8）包括设置在集装箱（10）内的空调和内部循环风扇，所述空调和内部循环风扇均与外部辅助电源（9）和主控制器（5）电连接；

一种高频矩阵式轻量型全封闭高压变频装置，由八组反串联高频低压IGBT形成高度模块化的集成单元，进而搭建以此集成单元为基本变频组成模块的矩阵拓扑结构，实现了

10kV及以上高压大功率变频系统的轻量化设计，采用全封闭自循环散热集装箱式橇装结构；

一种高频矩阵式轻量型全封闭高压变频装置的实时流程为：上电后排查所有硬件，若测试时装置存在异常，同时切断输入保护单元（2）和输出保护单元（7），使变频装置处于安全检修独立状态，确保各器件指示元件显示正常，如果是联合作业，则通过主控制器（5）与其它设备进行通讯调试，确保设备间网络通讯畅通；

电网侧10kVA高压电通过高压电源1输送到变频装置上，经高压刀闸闭合，电流进入输入保护单元（2）中的三组接触器（2‑1），进行欠压或失压保护，三组接触器（2‑1）再进一步连接熔断器（2‑2），进行短路过流保护；为矩阵式交‑交变频架构，能四象限运行，电流流向均为双向；

系统正常启动后，电流流入输入滤波单元（3）的三个滤波器（3‑1）分别进行各相滤波，滤波器是由电容、电感组成的滤波电路，对电源线中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除，使较纯净的高压电流入变频单元（4），变频单元（4）的集成模块以低压IGBT子模块串联连接，高压滤波后直接输入，并且高压滤波后直接输出，省略了变压器，主控制器与变频单元之间采用高速光纤抗干扰信号进行数据交互；

主控制器（5）以低功耗ARM作为核心芯片的嵌入式单板机，通过高速光纤传输连接变频单元4，载入PWM调制占空比算法程序，经由外部辅助电源启动，初始化设置后，扫描通讯状态，确保通讯平稳正常后，按预置的变频算法软件分别通过光纤网络输出指令给变频单元（4）的集成模块a‑i，程序通过占空比PWM调制算法进行斩波控制，IGBT采用4500V电压等级的绝缘栅双极型晶体管元件，经过反串联以及级联，能输出任意低于10kV的输出电压，调制后的电压进入输出滤波单元（6）；

输出滤波单元（6）滤除掉特定频率的频点或该频点以外的频率，电压进一步进入输出保护单元（7）的接触器a（7‑1），接触器可进行后侧外部高压电机的通断控制；

装置正常运行时，主控制器（5）中的温控程序将自动监测装置集装箱内部空间室温，适时启动散热单元（8）的空调和内部循环风扇，快速流通内部空气，实现集装箱室内恒温控制；

装置输出电压经高压电机输出侧端子连接外部高压交流变频电机，从而进行变频传动驱动。

说明书

一种高频矩阵式轻量型全封闭高压变频装置

技术领域

[0001] 本发明属于自动化控制装置技术领域，涉及一种高频矩阵式轻量型全封闭高压变频装置。

背景技术

[0002] 变频驱动设备广泛应用于冶金、石油等行业的各种工程机械控制领域，可以有效提高工艺水平和产品质量，减少设备的冲击和噪声，节能减排，延长设备使用寿命，简化系
统，方便操作和控制，提高整个产品性能。

[0003] 近年来高压大功率驱动系统需求持续上升，高电压等级下的IGBT绝缘栅双极型晶体管数量较少，价格昂贵，传统中高压传动系统常采用交‑直‑交变频拓扑结构，IGBT使用数
量多，直流侧还需要一个很大的电容和变压器，因此，造价高、体积大、效率低。

[0004] 经典矩阵变换器是一种单极功率变换器，将电压和频率固定的三相交流电转换为电压和频率可变的三相交流电，由于缺少足够高电流和电压等级的开关器件，经典矩阵变
换器不能直接用于中高压传动系统中，并且传统可控硅式矩阵变换器难以达到IGBT的高频
性能，而使用大量IGBT不仅成本很高，安装性和散热性等问题都是亟待解决的。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种高频矩阵式轻量型全封闭高压变频装置，解决了现有技术中存在的可控硅式矩阵变换器难以达到IGBT的高频性能，且使用大量IGBT成本很高的问
题。

[0006] 本发明所采用的技术方案是，一种高频矩阵式轻量型全封闭高压变频装置，包括与电网输入侧连接的高压电源，高压电源通过线缆依次电连接有输入保护单元、输入滤波
单元、变频单元及主控制器，变频单元的输出端还通过线缆依次电连接有输出滤波单元和
输出保护单元，输出保护单元通过线缆电连接高压电机输出侧，主控制器还通过线缆电连
接有散热单元。

[0007] 本发明的特征还在于，

[0008] 散热单元连接有外部辅助电源。

[0009] 高压电源包括与10kV电网侧电连接的10kVA三相交流高压电开合刀闸，三相分别为A、B、C三相，A、B、C三相均与输入保护单元通过线缆电连接。

[0010] 输入保护单元包括并列设置有三组接触器，三组接触器分别通过线缆电连接对应高压电源的A、B、C三相，接触器另一端通过线缆电连接有熔断器，三组熔断器的另一端通过
线缆电连接有输入滤波单元。

[0011] 输入滤波单元包括三组并列设置的滤波器，三组滤波器分别对应电连接三组熔断器，三组滤波器的另一端均电连接变频单元。

[0012] 变频单元包括并列设置的九个相同的集成模块，分别记为集成模块a、集成模块b、集成模块c、集成模块d、集成模块e、集成模块f、集成模块g、集成模块h、集成模块i，与高压
电源A相对应的滤波器通过线缆分别电连接集成模块c、集成模块f、集成模块i，与高压电源
B相对应的滤波器通过线缆分别电连接集成模块b、集成模块e、集成模块h，与高压电源C相
对应的滤波器通过线缆分别电连接集成模块a、集成模块d、集成模块g，九个集成模块均通
过光纤与主控制器电连接。

[0013] 每个集成模块均有八个反串联IGBT子模块组成，八个反串联IGBT子模块中的第一个IGBT子模块与对应的滤波器连接，八个反串联IGBT子模块中的第八个IGBT子模块与输出
滤波单元连接。

[0014] 输出滤波单元包括三组并列设置的滤波器a，集成模块a、集成模块b、集成模块c的另一端通过线缆汇聚到一条线缆后作为输出A相连接第一组滤波器a，集成模块d、集成模块
e、集成模块f的另一端通过线缆汇聚到一条线缆作为输出B相连接第二组滤波器a，集成模
块g、集成模块h、集成模块i的另一端通过线缆汇聚到一条线缆作为输出C相连接第三组滤
波器a，三组滤波器a的另一端通过线缆连接输出保护单元。

[0015] 输出保护单元包括三组并列设置的接触器a，三组接触器a分别通过线缆与三组滤波器a连接，与输出A、B、C相对应的三组接触器a分别对应连接高压电机输出侧的三相。

[0016] 还包括集装箱，高压电源、输入保护单元、输入滤波单元、变频单元、主控制器、输出滤波单元和输出保护单元以及散热单元均设置在集装箱内，散热单元包括设置在集装箱
内的空调和内部循环风扇，空调和内部循环风扇均与外部辅助电源和主控制器电连接。

[0017] 本发明的有益效果是：

[0018] 本发明采用交‑交矩阵式拓扑结构，节省了直流环节，采用高频IGBT绝缘栅双极型晶体管，满足系统高频控制性，且使用IGBT数量较少，降低了生产成本；由于直接高压输入
且高压输出，省略了变压器，进而排除了变压器损耗，显著提高了系统效率，设备重量和体
积都大幅下降，本发明的装置为集装箱橇装形式，采用全封闭式自循环散热集成化设计，运
输性强，变频单元可以输出低于输入电压的任意驱动电压值，适用性强；装置采用全封闭式
结构设计，减少了变频器件与外界环境的空气交换，外部环境粉尘和有害气体等污染物对
装置的影响较小，提高了整体电气设备的安全可靠性。

附图说明

[0019] 图1是本发明一种高频矩阵式轻量型全封闭高压变频装置的组成框图；

[0020] 图2是本发明一种高频矩阵式轻量型全封闭高压变频装置的电气驱动回路原理示意图；

[0021] 图3是本发明一种高频矩阵式轻量型全封闭高压变频装置的结构示意前视图；

[0022] 图4是本发明一种高频矩阵式轻量型全封闭高压变频装置的结构示意后视图；

[0023] 图5是本发明一种高频矩阵式轻量型全封闭高压变频装置的立体图。

[0024] 图中，1.高压电源，2.输入保护单元，3.输入滤波单元，4.变频单元，5.主控制器，6.输出滤波单元，7.输出保护单元，8.散热单元，9.外部辅助电源，10.集装箱；

[0025] 2‑1.接触器，2‑2.熔断器；3‑1.滤波器；4‑1.集成模块；6‑1.滤波器a，7‑1.接触器a。

具体实施方式

[0026] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

[0027] 本发明一种高频矩阵式轻量型全封闭高压变频装置，包括与电网输入侧连接的高压电源1，高压电源1通过线缆依次电连接有输入保护单元2、输入滤波单元3、变频单元4及
主控制器5，变频单元4的输出端还通过线缆依次电连接有输出滤波单元6和输出保护单元
7，输出保护单元7通过线缆电连接高压电机输出侧，主控制器5还通过线缆电连接有散热单
元8。

[0028] 散热单元8连接有外部辅助电源9。

[0029] 高压电源1包括与10kV电网侧电连接的10kVA三相交流高压电开合刀闸，三相分别为A、B、C三相，A、B、C三相均与输入保护单元2通过线缆电连接。

[0030] 输入保护单元2包括并列设置有三组接触器2‑1，三组接触器2‑1分别通过线缆电连接对应高压电源1的A、B、C三相，接触器2‑1另一端通过线缆电连接有熔断器2‑2，三组熔
断器2‑2的另一端通过线缆电连接有输入滤波单元3。

[0031] 输入滤波单元3包括三组并列设置的滤波器3‑1，三组滤波器3‑1分别对应电连接三组熔断器2‑2，三组滤波器3‑1的另一端均电连接变频单元4。

[0032] 变频单元4包括并列设置的九个相同的集成模块4‑1，分别记为集成模块a、集成模块b、集成模块c、集成模块d、集成模块e、集成模块f、集成模块g、集成模块h、集成模块i，与
高压电源1A相对应的滤波器3‑1通过线缆分别电连接集成模块c、集成模块f、集成模块i，与
高压电源1B相对应的滤波器3‑1通过线缆分别电连接集成模块b、集成模块e、集成模块h，与
高压电源1C相对应的滤波器3‑1通过线缆分别电连接集成模块a、集成模块d、集成模块g，九
个集成模块4‑1均通过光纤与主控制器5电连接。

[0033] 每个集成模块4‑1均有八个反串联IGBT子模块组成，八个反串联IGBT子模块中的第一个IGBT子模块与对应的滤波器3‑1连接，八个反串联IGBT子模块中的第八个IGBT子模
块与输出滤波单元6连接。

[0034] 输出滤波单元6包括三组并列设置的滤波器a6‑1，集成模块a、集成模块b、集成模块c的另一端通过线缆汇聚到一条线缆后作为输出A相连接第一组滤波器a6‑1，集成模块d、
集成模块e、集成模块f的另一端通过线缆汇聚到一条线缆作为输出B相连接第二组滤波器
a6‑1，集成模块g、集成模块h、集成模块i的另一端通过线缆汇聚到一条线缆作为输出C相连
接第三组滤波器a6‑1，三组滤波器a6‑1的另一端通过线缆连接输出保护单元7。

[0035] 输出保护单元7包括三组并列设置的接触器a7‑1，三组接触器a7‑1分别通过线缆与三组滤波器a6‑1连接，与输出A、B、C相对应的三组接触器a7‑1分别对应连接高压电机输
出侧的三相。

[0036] 还包括集装箱10，高压电源1、输入保护单元2、输入滤波单元3、变频单元4、主控制器5、输出滤波单元6和输出保护单元7以及散热单元8均设置在集装箱10内，散热单元8包括
设置在集装箱10内的空调和内部循环风扇，空调和内部循环风扇均与外部辅助电源9和主
控制器5电连接。

[0037] 本发明的变频单元4包含九个集成模块4‑1，每个集成模块由八个反串联IGBT子模块组成，形成了以低压高频IGBT为基本组成单元的满足高压场合应用的变频驱动系统。

[0038] 本发明的主控制器5是以低功耗ARM作为核心芯片的嵌入式单板机，通过高速光纤传输连接变频单元4，载入PWM调制占空比算法程序，分别与集成模块a‑i进行光纤连接。

[0039] 本发明采用全封闭自循环散热集装箱式橇装结构，减少了变频器件与外界环境的空气交换，外部环境粉尘和有害气体等污染物对装置的影响很小，极大减少了高压器件易
吸附灰尘而影响设备爬电性所造成的安全隐患。

[0040] 本发明输出侧电压为（0‑10）kVA任意电压值；散热单元8包含空调和内部循环风扇，经由外部辅助电源供电，散热单元8与主控制器5相连，主控制器5中载入温控程序，监测
集装箱10的内部空间室温，适时启动空调和内部循环风扇，达到集装箱室内快速恒温控制。

[0041] 本发明的实时流程为：

[0042] 如图1‑5所示，上电后排查所有硬件，若测试时装置存在异常，可同时切断输入保护单元2和输出保护单元7，使变频装置处于安全检修独立状态，确保各器件指示元件显示
正常，如果是联合作业，则通过主控制器5与其它设备进行通讯调试，确保设备间网络通讯
畅通。

[0043] 电网侧10kVA高压电通过高压电源1输送到变频装置上，经高压刀闸闭合，电流进入输入保护单元2中的三组接触器2‑1，进行欠压或失压保护，三组接触器2‑1再进一步连接
熔断器2‑2，进行短路过流保护；本发明为矩阵式交‑交变频架构，能四象限运行，电流流向
均为双向。

[0044] 系统正常启动后，电流流入输入滤波单元3的三个滤波器3‑1分别进行各相滤波，滤波器是由电容、电感组成的滤波电路，对电源线中特定频率的频点或该频点以外的频率
进行有效滤除，使较纯净的高压电流入变频单元4，变频单元4的集成模块以低压IGBT子模
块串联连接，高压滤波后直接输入，并且高压滤波后直接输出，主控制器与变频单元之间采
用高速光纤抗干扰信号进行数据交互。

[0045] 主控制器5经由外部辅助电源启动，初始化设置后，扫描通讯状态，确保通讯平稳正常后，按预置的变频算法软件分别通过光纤网络输出指令给变频单元4的集成模块a‑i，
程序通过占空比PWM调制算法进行斩波控制，IGBT采用4500V电压等级的绝缘栅双极型晶体
管元件，经过反串联以及级联，可输出任意低于10kV的输出电压，调制后的电压进入输出滤
波单元6。

[0046] 输出滤波单元6滤除掉特定频率的频点或该频点以外的频率，电压进一步进入输出保护单元7的接触器a7‑1，接触器可进行后侧外部高压电机的通断控制。

[0047] 装置正常运行时，主控制器5中的温控程序将自动监测装置集装箱内部空间室温，适时启动散热单元8的空调和内部循环风扇，快速流通内部空气，实现集装箱室内恒温控
制。

[0048] 装置输出电压经高压电机输出侧端子连接外部高压交流变频电机，从而进行变频传动驱动。