专利名称：高压变频器的单元柜的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种高压变频器的单元柜，确切地说，涉及一种高压变频器的单元柜内部的功率模块单元、用于冷却功率模块单元的密封腔及其形成的通风散热通道和控制室的安装结构布局，属于高压变频器的结构设计技术领域。
背景技术：
变频器是利用电力半导体器件的开关通断作用将工频电源变换为频率可调的电能逆变器。随着社会生产力的发展，作为一种新型产品，高压变频器被广泛地用于火力发电厂、石油、化工、自来水、矿山、及冶金等众多行业内高压电机调速、节能、软启动及智能化控制。
参见图1，介绍高压变频器的四个主要组成部分变压器柜(A)柜内装有隔离变压器，副边多绕组输出，为功率单元提供独立的移相电源，能够大大改善网侧的电流波形，降低设备对电网的谐波干扰。
单元柜(B)柜内装有模块化的、可以互换的功率单元，便于生产和维护；其中功率单元的数量取决于输出功率。通常，3千伏的单元柜由9个功率单元组成，每3个功率单元串联成一相，三相Y接；6千伏的单元柜由15个功率单元组成，每5个功率单元串联成一相，三相Y接；10千伏的单元柜则由27个功率单元组成，每9个功率单元串联成一相，三相Y接。
控制柜(C)柜内装有控制器，用于实现空间矢量的控制和与功率单元之间光纤通讯，需要完全的电气隔离。另外，柜内安设的接口板负责系统的数字和模拟信号处理，以满足不同应用场合的要求。
旁路柜(D)柜内安装的开关可跟据用户工况及要求选用隔离刀闸、真空接触器、或者两者的组合方式。当变频器退出运行后，通过旁路柜将电机投入工频电网运行，以保证生产的连续进行。
由于组成高压变频器的柜体较多，因此其体积也相应地比较大。随着变频器的广泛应用，其技术越来越成熟，对其外观和结构也提出更高要求。在满足现有技术参数的前提下，尽可能减小变频器体积是今后发展的趋势。因为变频器中的变压器柜、单元柜、控制柜、旁路柜的体积都会随电压等级的增加而增加。想要尽可能地减小它们的体积，对于变压器柜、旁路柜和控制柜来说收效甚微。所以努力减小单元柜的体积是减小变频器柜体体积的关键。
参见图2，介绍现有产品的6千伏单元柜去门后的单元安装结构图，图中1为整体金属框架，2为密封腔，3为功率模块单元，4为功率模块单元的冷却通风孔，5为底座。在密封腔2正上方装有风机，用于送风来冷却功率单元。采用这种每相功率模块单元横向平行放置的结构优点是各个功率单元集中、紧凑，能充分接受风冷。但是，如果更高电压等级的单元柜仍然采用这种结构形式来放置功率模块单元，则其体积就要大大增加，而且要想让功率模块单元充分冷却，还需要增加风机数量。图3展示了采用上述结构形式的10千伏单元柜内部功率模块单元的放置情况因为每相有9个功率模块单元，其长度达到2710mm，要比6千伏单元柜(5个功率模块单元)的长度(1700mm)增加了1000mm。如果是更高的电压等级，增加幅度更大。如此大的体积给设备的包装、吊装、运输、以及散热都带来了很多困难。因此，如何解决由于电压等级升高、单元柜长度及其体积增加幅度过大而带来的各种问题，就成为业内技术人员急需解决的新课题。
实用新型内容有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种高压变频器的单元柜，该装置结构简单、巧妙，在体积增加无几的情况下，能够放置多种不同高压变频器的功率模块单元，使得不同电压等级的高压变频器的单元柜的长度和体积基本相同，实现柜体尺寸和制造的标准化，从而解决了现有技术中因电压等级升高而使其单元柜体积大幅增加所造成的包装、吊装、运输等诸方面困难的问题。
本实用新型的另一目的是提供一种把原来独立设置的控制柜作为单元柜组成部分的高压变频器的单元柜，该装置不仅能够省去控制柜的柜体，进一步节约空间和柜体的材料费用、制造成本，体积更加紧凑，而且，使得该两个柜体间的接线简单，接线距离近，从而工作可靠、稳定。
为了达到上述目的，本实用新型提供了一种高压变频器的单元柜，包括有底座，金属框架，柜门，分为多层放置的三相功率模块单元，由侧板、盖板、底座档板、柜体后侧密封板围成的密封腔，以及设置在密封腔顶端的风机；其特征在于所述单元柜设置为背对背的前、后两个柜体，该前、后两个柜体后侧的密封板与两侧盖板、顶端盖板和底座档板围成一个前、后柜体共用的密封腔；所述三相功率模块单元采用多层结构分别安装在前、后两部分柜体内部。
所述背对背设置的前、后两个柜体组成的单元柜的总宽度为1200mm～2000mm，与并排放置的变压器柜的宽度相同或相近。
所述单元柜的前、后两个柜体内放置的功率模块单元与两侧金属框架的距离不小于60mm，以满足电气隔离的尺寸要求。
所述单元柜设置的背对背的前、后两个柜体后侧的密封板之间围成的密封腔的宽度应不小于风机出风口直径310mm，以保证集中通风的风道畅通，提高能源效率；当功率单元柜的密封腔宽度小于风机出风口直径时，则在风机出风口与密封腔入口之间设置渐缩形喇叭口状的接口，避免因风道变窄而影响通风，提高风冷效果。
所述单元柜背对背的前、后两个柜体后侧的密封板上设有多个通孔，这些通孔的位置和大小都与柜体内部放置的各个功率模块单元上的散热孔相对应。
所述单元柜的密封腔顶端设有用于鼓风进入密封腔内、对功率模块单元进行风冷的多个风机。
所述密封腔藉由该密封板上设置的多个通孔、各个功率模块单元上的散热孔和各个柜门上安装有滤芯或滤网的通孔一起组成风机对流循环的排风通道，使得该单元柜的各个单元工作时得到风冷处理。
所述单元柜的前、后两个柜体内采用多层结构安装的功率模块单元数量相等或不相等。
所述单元柜的前、后两个柜体内安装的功率模块单元数量不相等时，其中安装功率模块单元数量少的柜体所节省、富余的空间被用作安放控制器、接口板和输出接线柱的控制室。
所述控制室设置在柜体的右侧或左侧，该控制室分为上下两个装有由光纤板、主控板、信号板、电源板组成的控制器和接口板组件的低压控制室，以及装有该高压变频器的输出接线柱的高压控制室。
本实用新型是一种改进结构的高压变频器的单元柜，该装置的特点是结构简单、紧凑、巧妙，体积显著减小，占地面积小，能够大大节约材料费用和制造费用，方便包装、吊装和运输。柜体由前后两部分组成，分别用于放置功率模块单元，其中单元放置少的柜体腾出作为控制室，前后柜体的中间作为密封腔，实现集中通风，既减少风机数量，降低产品成本，又节约风冷能耗。此外，将控制柜与单元柜两者合为一体，接线简单、方便，工作可靠、稳定，便于使用和维护。
据对现有产品和本实用新型实施例样机的测量计算，图2所示的传统产品6千伏单元柜的体积为4.845M3，图3所示的传统产品的10千伏单元柜体积为7.7M3，而图4所示的本实用新型实施例10千伏单元柜的体积仅为5.1M3。因此，如果电压等级由6千伏增加到10千伏时，如果采用传统技术结构，单元柜的体积要增加58.9％，而本实用新型体积仅增加5.26％。再者，本实用新型还将原来的控制柜组合在该单元柜体内，使得高压变频器的整体结构更加紧凑、体积减小、工作稳定可靠。尤其重要的是，本实用新型为不同电压等级单元柜的设计标准化创造了条件和基础。因此，本实用新型具有很好的应用前景。
图1是现有技术的高压变频器柜体的主视图，其中从左到右分别是变压器柜(A)、单元柜(B)、控制柜(C)和旁路柜(D)。
图2(A)、(B)分别是现有技术的6千伏单元柜(撤去柜门)结构组成的主视图和俯视图。
图3(A)、(B)分别是现有技术的10千伏单元柜(撤去柜门)结构组成的主视图和俯视图。
图4(A)、(B)、(C)、(D)分别是本实用新型一实施例(10千伏高压变频器单元柜)组成结构的主视图、左视图、俯视图、后视图。
图5(A)、(B)、(C)、(D)分别是本实用新型10千伏/1800千瓦高压变频器单元柜实施例的总体装配立体图的前视图和后视图、安装功率单元后的前视图和后视图。
图6(A)、(B)、(C)分别是图5所示本实用新型实施例10千伏/1800千瓦高压变频器单元柜的金属框架构件组成结构图以及前、后槽材的安装示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细描述。
参见图4，介绍本发明高压变频器的单元柜的组成结构，本实用新型保持了原有产品的基本架构由金属框架1，密封腔2，分为上、中、下三层放置的三相功率模块单元3，功率模块单元通风孔4，底座5，密封板、柜门和设置在密封腔顶端的风机(后三者均未在图中示出)等部件组成；改进之处是在原结构基础上把单元柜设置为背对背的前、后两个柜体，该前、后两个柜体后侧的密封板与两侧盖板、顶端盖板和底座档板围成一个前、后柜体共用的密封腔2；三相功率模块单元3采用原来的三层结构分别放置在前、后两个柜体内部，且前后两个柜体内采用多层结构安装的功率模块单元数量可以相等、也可以不相等；如两个柜体内的功率模块单元数量不相等时，其中功率模块单元数量少的一侧所节省、富余的空间被用作控制室6。
传统产品的单元柜宽度为1200～2000mm(参见图2所示的6千伏单元柜宽度为1500mm)，该尺寸是为了与不同电压等级变压器柜的宽度(尺寸为1200～2000mm)相适应。本实用新型通过前后两个柜体合用密封腔和紧凑的结构设计，使得背对背的前、后两个柜体组成的单元柜的总宽度也为1200mm～2000mm，与并排放置的变压器柜的宽度相同或相近。这样，虽然相同电压等级的单元柜的宽度与现有产品的宽度基本相同，但是长度方向可减少1000mm。
此时，人们可能怀疑功率模块单元放置在前后两个柜体内，如果相同电压等级的单元柜的宽(深)度尺寸不变，能否保证电气隔离间隙？还有密封腔通道体积会不会变小？从而影响散热效果。
传统产品单元柜的功率模块单元与金属框架之间的距离为280mm(参见图2)，远大于电气隔离要求的尺寸；其密封腔宽度为520mm，也远大于风机出风口直径310mm。本实用新型在原来柜体长度不变的情况下，前、后两个柜体内放置的功率模块单元与两侧金属框架的距离应不小于60mm，以满足电气隔离的距离要求。其中背对背的前、后两个柜体后侧的密封板之间围成的密封腔2的宽度要求不小于风机出口直径310mm。如果单元柜的密封腔宽度小于风机出风口直径时，则在密封腔入口与风机出风口之间设置喇叭口状的接口风道。另外，在背对背的前、后两个柜体后侧的密封板上设有多个通孔，这些通孔位置和大小都与柜体内部放置的各个功率模块单元3上的散热孔4相对应。密封腔2藉由该密封板上的多个通孔、各个功率模块单元3上的散热孔4和各个柜门上安装有滤芯或滤网的通孔一起组成风机送风对流循环的排风通道，使得装在密封腔顶端进行风冷的多个风机和单元在工作时都能得到风冷处理，延长其工作时间和使用寿命；同时单元柜又实现了集中通风，提高能效，还不缩小风道，风冷效果好。总之，本实用新型的主要特点是功率模块单元分别放置在前、后两个柜体；另外，还把原来独立的控制柜合并到单元柜里，使二者合为一体。
下面参照图5和图6的各个附图，进一步详细介绍本实用新型的一实施例(10千伏/1800千瓦高压变频器)的结构组成。
先参见图5(A)、(B)所展示的单元柜总体装配图，其中单元柜门有前左门7A、前中门7B、后左门13A、后中门13B和后右门13C，控制室6的门有低压室的前右上门6A(其内装有由光纤板、主控板、信号板、电源板组成的控制器和接口板组件等器件)和高压室的前右下门6B(其内装有高压变频器的输出接线柱等器件)。除了前右下门6B外，这些门上都装有通风过滤网，用来通风冷却各柜内放置的功率模块单元3和控制器件。前右上门6A上还安装有触摸屏的监视器，监视器的上、下方分别装设有“高压指示灯”、“运行指示灯”、“故障指示灯”和“系统复位”按钮、“高压分断”按钮等指示灯和按钮。8是用于对密封腔两侧进行密封的盖板。9是吊装架。由相互之间用螺栓连接的若干小板材组成的上顶盖10安装在金属框架1上。其中位于密封腔上方的顶盖10还用于密封腔的密封。密封腔2、密封板上的多个通孔、各个功率模块单元3上的散热孔4、以及各个柜门上的通风过滤网孔一起组成风机11的对流循环的风冷通道。除了风冷通道外，该单元柜内部与外界密封隔离。各柜门和两侧盖板8上都设有密封圈，以增强密封效果。图示的该实施例安装有3个风机11，具体产品的风机数量则视功率大小而定，不受此数量限制。当然，如果按照原有结构设计，该单元柜需要安装的风机数量是六个。另外，前后柜门顶部还设有顶端横楣12，用于增强金属框架1的强度，又能增添整个柜体的美观。
参见图5(C)、(D)所示的放置功率模块单元后的单元柜前视图和后视图，14A、14B、14C分别为前后两个侧板的上中下连接板，同时也对密封腔左右两侧的盖板8起到连接作用。前后顶梁15、16安装后成为密封腔2的进入接口，两者呈喇叭口状，有利于空气加速流通，同时对左右两侧的侧板起到加强连接作用。如果密封腔的宽度≥风机出口直径310mm时，前后顶梁15、16也可以制成平直筒状入口。前后顶梁15、16下侧是组成密封腔2的前后柜体后侧板(即环氧树脂密封板32、37)，密封腔左右两侧是盖板8，上面还有上顶盖10。
本实施例的功率模块单元3(简称单元)共有27个，分成三组，每组水平放置并串联成为一相，各组又分成前后两部分放置在图6(B)、(C)所示的前后槽材组装件的上、中、下三层上，分别称作A、B、C相。图(D)中最左端的三个单元(称之为A1、B1、C1)为低压端，图(C)中靠近控制室最右端的三个单元(称之为A9、B9、C9)为高压端。其中A1、B1、C1三个单元短接成星点，A9、B9、C9三个单元输出接电机和检测输出电压的分压电阻。A相和C相在星点短接前穿接有检测输出电流的霍尔元件。各个单元用螺栓固装在导轨上，导轨固装在槽材上。这种结构方便各单元的拆装，且互不影响，给现场维修带来极大方便。在该实施例中，每相单元在前面柜体放置4个(单元A6～A9、B6～B9、C6～C9)，后面柜体放置5个(单元A1～A5、B1～B5、C1～C5)。前面柜体右侧剩余部分用作控制室。不仅省却了控制柜，而且风机11通过密封腔2顺便也对控制室进行风冷(其后侧隔板上设有通风孔)。诚然，上述结构仅是本实施例中的设计，本实用新型不受此限制。
图6(A)所示为金属框架结构组成，作为单元柜中最基本的结构组件，金属框架采用螺栓连接，便于装卸，且牢固不易变形。左前侧板17A、左后侧板17B、右前侧板18A和右后侧板18B用螺栓紧固在底座5上。前后共四根立柱19也用螺栓紧固在底座5上。左右侧板和立柱通过框架1顶梁和上中下三个连接板14A、14B、14C连接成为一体。控制室左隔板20与后隔板21、侧板18A围成控制室。控制室中间隔板22把控制室分成低压控制室23和高压控制室24。低压控制室23内安装有控制系统从上到下依次为控制器(内含光纤板、主控板、信号板、电源板)、接口板组件、电源开关和用户接线端子。高压控制室24内设有变频器输出接线柱。低压控制室23的柜门6A上装有带触摸屏的监视器，该监视器下方设有“系统复位”按钮、“高压分断”自锁按钮；上方设有“高压指示灯”、“运行指示灯”和“故障指示灯”。控制室由220VAC和高压主电源双路供电，保证运行过程中220VAC电源出现故障时，变频器能继续工作。光纤板连接与各个单元通讯的光缆，每个光纤板对应其中一相。控制器变压器组件为控制器本身及接口板组件提供电源。穿线板26用于穿过来自变压器的一次线。槽材固定板27分别焊接在左前侧板17A、左后侧板17B和右前侧板18A、右后侧板18B上，用于固定图6(B)、(C)所示的前后槽材架。
为方便说明，这里将本实施例的各个槽材和环氧树脂密封板一起介绍。前后上中下三层工程塑料槽材28、29和33、34相对设置，分别用于放置三相功率模块单元A6～A9，B6～B9，C6～C9和单元A1～A5，B1～B5，C1～C5。顶部是规格较小的槽材30、31和35、36。其后侧环氧树脂密封板32和37上开设通孔的位置、形状都与各个单元上的通风孔4相吻合对应。
本实用新型的实施例样机进行了运行试验，试验结果是成功的，实现了预期的发明目的。
权利要求1.一种高压变频器的单元柜，包括有底座，金属框架，柜门，分为多层放置的三相功率模块单元，由侧板、盖板、底座档板、柜体后侧密封板围成的密封腔，以及设置在密封腔顶端的风机；其特征在于所述单元柜设置为背对背的前、后两个柜体，该前、后两个柜体后侧的密封板与两侧盖板、顶端盖板和底座档板围成一个前、后柜体共用的密封腔；所述三相功率模块单元采用多层结构分别安装在前、后两部分柜体内部。
2.根据权利要求1所述的高压变频器的单元柜，其特征在于所述背对背设置的前、后两个柜体组成的单元柜的总宽度为1200mm～2000mm，与并排放置的变压器柜的宽度相同或相近。
3.根据权利要求1所述的高压变频器的单元柜，其特征在于所述单元柜的前、后两个柜体内放置的功率模块单元与两侧金属框架的距离不小于60mm，以满足电气隔离的尺寸要求。
4.根据权利要求1所述的高压变频器的单元柜，其特征在于所述单元柜设置的背对背的前、后两个柜体后侧的密封板之间围成的密封腔的宽度应不小于风机出风口直径310mm，以保证集中通风的风道畅通，提高能源效率；当功率单元柜的密封腔宽度小于风机出风口直径时，则在风机出风口与密封腔入口之间设置渐缩形喇叭口状的接口，避免因风道变窄而影响通风，提高风冷效果。
5.根据权利要求4所述的高压变频器的单元柜，其特征在于所述单元柜背对背的前、后两个柜体后侧的密封板上设有多个通孔，这些通孔的位置和大小都与柜体内部放置的各个功率模块单元上的散热孔相对应。
6.根据权利要求1所述的高压变频器的单元柜，其特征在于所述单元柜的密封腔顶端设有用于鼓风进入密封腔内、对功率模块单元进行风冷的多个风机。
7.根据权利要求1或4或5或6所述的高压变频器的单元柜，其特征在于所述密封腔藉由该密封板上设置的多个通孔、各个功率模块单元上的散热孔和各个柜门上安装有滤芯或滤网的通孔一起组成风机对流循环的排风通道，使得该单元柜的各个单元工作时得到风冷处理。
8.根据权利要求1所述的高压变频器的单元柜，其特征在于所述单元柜的前、后两个柜体内采用多层结构安装的功率模块单元数量相等或不相等。
9.根据权利要求8所述的高压变频器的单元柜，其特征在于所述单元柜的前、后两个柜体内安装的功率模块单元数量不相等时，其中安装功率模块单元数量少的柜体所节省、富余的空间被用作安放控制器、接口板和输出接线柱的控制室。
10.根据权利要求9所述的高压变频器的单元柜，其特征在于所述控制室设置在柜体的右侧或左侧，该控制室分为上下两个装有由光纤板、主控板、信号板、电源板组成的控制器和接口板组件的低压控制室，以及装有该高压变频器的输出接线柱的高压控制室。
专利摘要一种高压变频器的单元柜，该单元柜设有背对背的前、后两个柜体，该前、后两个柜体后侧密封板与两侧盖板、顶端盖板和底座档板围成一个前、后柜体共用的密封腔；三相功率模块单元采用多层结构分别安装在前、后两个柜体内部，且前、后两个柜体内安装的功率模块单元数量可以相等，也可以不相等；如不相等时，功率模块单元较少的柜体一侧所节省、富余的空间被用作安放控制器、接口板和输出接线柱的控制室。装置结构简单、紧凑，集中通风，接线简单，使不同电压等级的高压变频器单元柜的长度和体积基本相同，实现柜体尺寸标准化，并节省控制柜，节约空间和柜体费用，解决了现有技术因电压等级升高而使单元柜体积大幅增加所造成的包装、运输等难题。
文档编号H02B1/56GK2919623SQ20062012392
公开日2007年7月4日 申请日期2006年7月13日 优先权日2006年7月13日
发明者康宁 申请人:北京中益合康电气技术有限公司