功率变换单元及矿用变频器的制作方法

[0001]
本公开涉及变频器领域，更具体地，涉及一种功率变换单元及矿用变频器。


背景技术：

[0002]
目前，矿用变频器的水冷板通常都是作为隔爆壳后盖板的一部分固定于隔爆壳上。矿用变频器的功率变换单元所有器件均安装在水冷板的内侧，即隔爆壳的内部，而且功率变换单元的输入输出端口与外围电路间均采用螺栓连接的方式。由于功率变换单元对外连接点电压高，电流大，既要保证足够的电气安全距离，又要考虑隔爆壳体内的空间限制，导致连接点的结构设计复杂，绝缘处理困难。狭小的空间又使得工人在隔爆壳内安装存在诸多不便，造成生产效率低下，增加了故障发生率。同时，连接点所采用的螺栓连接方式也增加了故障功率变换单元的拆除难度，而故障设备往往需要升井后才能进行维修，延长了设备的故障停机时间。然而，对于井下连续运行的负载，对设备的故障停机时间有严格的考核要求，不易拆装的功率变换单元无法满足设备现场维修的需求，这对于连续生产的煤炭企业有时是不允许的。


技术实现要素：

[0003]
提供了本公开以解决背景技术中存在的上述缺陷。因此需要一种功率变换单元及矿用变频器。该功率变换单元及矿用变频器可对功率变换单元的电路系统实现快速安装与拆卸，提高了工作效率，并且能够满足设备现场维修的需求。
[0004]
本公开的第一方面提供了一种功率变换单元，适用于矿用变频器，所述功率变换单元安装于所述矿用变频器的壳体中，包括水冷板，依次层叠设置于所述水冷板的第一表面的逆变器、第一直流母线系统和直流电容组，以及设置于所述水冷板的第二表面的第二直流母线系统和电连接至所述第二直流母线系统的整流桥，所述逆变器和所述直流电容组通过所述第一直流母线系统电连接，所述第一直流母线系统和所述第二直流母线系统电连接，所述功率变换单元还包括插接式连接装置，所述插接式连接装置的插头部分设置于所述水冷板的第一侧面，所述插接式连接装置的插座部分设置于所述壳体的后板上，所述插接式连接装置通过所述插头部分与所述插座部分的配合实现所述功率变换单元与外围电路的连接与断开，所述水冷板上与所述第一侧面相邻的第二侧面和第三侧面分别设置滑道，以使所述功率变换单元可相对于所述壳体滑动。
[0005]
在一些实施例中，所述插头部分包括绝缘底座、对内电缆或铜排以及插头，所述对内电缆或铜排由螺栓紧固于所述绝缘底座上，所述插头的底部压在所述对内电缆或铜排并固定于所述绝缘底座上；所述插座部分包括绝缘底座、对外电缆以及插管，所述对外电缆由螺栓紧固于所述绝缘底座上，所述插管的底部压在所述对外电缆并固定于所述绝缘底座上。
[0006]
在一些实施例中，所述插头为紫铜圆柱形，所述插管为与所述插头的形状相匹配的紫铜圆筒形管。
[0007]
在一些实施例中，所述插头部分为六极插头结构，分别对应所述功率变换单元的三相输入和三相输出，其中，对应所述功率变换单元的三相输入的所述对内电缆或铜排电连接至所述整流桥；对应所述功率变换单元的三相输出的所述对内电缆或铜排电连接至所述逆变器。
[0008]
在一些实施例中，所述第一直流母线系统包括叠层母排和第一铜排，所述叠层母排连接至所述直流电容组，所述第一铜排的一端连接至所述叠层母排，另一端连接至所述逆变器的正负端；所述第二直流母线系统包括第二铜排，所述整流桥的正负端连接至所述第二铜排，所述第一直流母线系统和所述第二直流母线系统通过电缆连接。
[0009]
在一些实施例中，叠层母排包括层叠设置的正母排、绝缘层和负母排，所述直流电容组包括多个电容，所述正母排和所述负母排分别对应所述多个电容的正极和负极，所述多个电容的底脚通过螺栓倒装于安装板上。
[0010]
在一些实施例中，功率变换单元还包括设置于所述水冷板的第二表面的滤波电阻和滤波电容，所述滤波电阻连接至所述滤波电容，由所述滤波电容连接至所述逆变器的输出端以对所述逆变器输出的交流电压进行滤波。在一些实施例中，所述整流桥包括三组二极管模块，所述功率变换单元还包括设置于所述水冷板的第二表面的晶闸管、充电电阻和放电电阻，所述充电电阻电连接至所述晶闸管以对所述直流电容组进行充电，所述放电电阻电连接至所述第一直流母线系统以对所述直流电容组进行放电处理。
[0011]
在一些实施例中，在所述水冷板的第一侧面上所述插头部分的左右两侧分别设置入水口和出水口，所述后板上对应所述入水口和所述出水口的位置分别设置可使所述入水口和出水口穿过的圆孔。
[0012]
本公开的第二方面提供了一种矿用变频器，包括如上任一所述的功率变换单元。
[0013]
根据本公开各个方案和实施例提供的功率变换单元通过将各器件分开布置于水冷板的两个表面，充分利用了水冷板的散热面积，提高了整体换热效率，从而使得器件的性能得到提升。而且各器件层叠设置并通过直流母排系统连接，形成了模块化的功率变换单元，这简化了结构的同时也节省了空间，使得结构更加紧凑合理，与原始的螺栓或线缆连接方式相比，也降低了故障发生率。功率变换单元的输入输出端口通过插接式连接装置与外围电路实现连接，该插接式连接装置通过插头部分与插座部分的配合即可实现功率变换单元与外围电路的快速连接与快速断开。同时，滑道与壳体上轨道的配合可使功率变换单元在壳体内部沿着与壳体后板垂直的方向自由滑动，这样使得工人在安装与拆卸过程中不需要进入壳体后部，也不需要拆装螺栓，只要沿着轨道推动或拉出模块化的功率变换单元，并使插头部分插入或从插座部分拔出，便可轻松并快速地完成功率变换单元的安装与拆卸，而无需拖着沉重的器件，极大方便了安装与拆卸，提高了工作效率。当发生故障时，可将模块化的功率变换单元整体地拆除然后升井进行维修，同时换上完好的功率变换单元即可继续工作，有效地缩短了故障停机时间，减少了现场维护的工作量，满足了设备现场维修的需求。
附图说明
[0014]
在不一定按比例绘制的附图中，相同的附图标记可以在不同的视图中描述相似的部件。具有字母后缀或不同字母后缀的相同附图标记可以表示相似部件的不同实例。附图
大体上通过举例而不是限制的方式示出各种实施例，并且与说明书以及权利要求书一起用于对所公开的实施例进行说明。这样的实施例是例证性的，而并非旨在作为本装置或方法的穷尽或排他实施例。
[0015]
图1所示为根据本公开的实施例提供的一种功率变换单元的第一视图；
[0016]
图2所示为根据本公开的实施例提供的一种功率变换单元的第二视图；
[0017]
图3所示为根据本公开的实施例提供的一种功率变换单元的第三视图；
[0018]
如图4所示为根据本公开实施例提供的一种矿用隔爆兼本质安全型变频器的主电路图。
具体实施方式
[0019]
为使本领域技术人员更好的理解本公开的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本公开作详细说明。下面结合附图和具体实施例对本公开的实施例作进一步详细描述，但不作为对本公开的限定。
[0020]
本公开中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。本公开使用的技术术语“单元”旨在表示实现相应功能的模拟电路、数字电路、程序模块中的相应一种，其采用模拟电路、数字电路、程序模块中的何种形式取决于该“单元”的应用场景和所要实现的相应功能。
[0021]
本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
[0022]
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
[0023]
本公开实施例提供了一种功率变换单元，其适用于矿用变频器，例如，矿用隔爆兼本质安全型变频器。该功率变换单元可安装于矿用变频器的壳体中，如图1-3所示，功率变换单元包括水冷板3，依次层叠设置于水冷板3的第一表面的逆变器5、第一直流母线系统9和直流电容组2，以及设置于水冷板3的第二表面的第二直流母线系统(未示出)和电连接至第二直流母线系统的整流桥10。逆变器5和直流电容组2可通过第一直流母线系统9电连接，第一直流母线系统9和第二直流母线系统电连接。
[0024]
这里，水冷板3内可设置有水冷通道，用于将功率变换单元在工作过程中产生的热量通过水传递至外围的热交换装置中进行冷却，以达到散热的目的。
[0025]
水冷板3上与第一侧面14相邻的第二侧面15和第三侧面16可分别设置滑道4，则通过滑道4与壳体上滑轨(未示出)的配合可使功率变换单元相对于壳体滑动。
[0026]
水冷板3可水平或类似于水平地置于壳体的底板上方，水冷板3的第一表面可代表此种放置条件下水冷板3的上表面，水冷板3的第二表面可代表此种放置条件下水冷板3的下表面。水冷板3上表面的逆变器5和直流电容组2通过位于上表面的第一直流母线系统9电连接，水冷板3下表面的整流桥10与位于下表面的第二直流母线系统连接，也就是说，水冷板3上下表面的各器件先连接至各自对应的直流母线系统，然后由上下表面的两个直流母线系统的电连接将各器件连接起来。
[0027]
功率变换单元还包括插接式连接装置，该插接式连接装置包括插头部分7和插座部分8，其中，插头部分7可设置于水冷板3的第一侧面14，该第一侧面14可为水冷板3上与壳体的后板1相对的侧面；插座部分8可设置于壳体的后板1上，后板1内可设置有与外围电路连接的线路，则插接式连接装置通过插头部分7与插座部分8的配合即可实现功率变换单元与外围电路的连接与断开。
[0028]
上述插接式连接装置的插头部分可理解为功率变换单元的输入输出接口，该输入输出接口的输入端与整流桥10电连接，输出端与逆变器5电连接。这样，通过该输入端可接收外部电源提供的交流电压。该交流电压由输入端输入至整流桥10后，由整流桥10将该交流电压转换为直流电压，该直流电压经第二直流母线系统、直流电容组2和第一直流母线系统9传输至逆变器5后，逆变器5可将该直流电压转换为一定频率的交流电压，并将该交流电压经输入输出接口的输出端传递给外围设备，如电动机，以使该外围设备向其他设备提供该频率的交流电压。
[0029]
具体地，上述整流桥10可包括二极管模块，用于实现交流电压与直流电压的转换。直流电容组2可用于存储电量，以维持功率变换单元上母线电压的稳定。逆变器5可包括igbt及其驱动电路，实现直流电压与交流电压的转换。
[0030]
本公开实施例提供的功率变换单元通过将各器件分开布置于水冷板3的两个表面，充分利用了水冷板3的散热面积，提高了整体换热效率，从而使得器件的性能得到提升。而且各器件层叠设置并通过直流母排系统连接，形成了模块化的功率变换单元，这简化了结构的同时也节省了空间，使得结构更加紧凑合理，与原始的螺栓或线缆连接方式相比，也降低了故障发生率。功率变换单元的输入输出端口通过插接式连接装置与外围电路实现连接，该插接式连接装置通过插头部分7与插座部分8的配合即可实现功率变换单元与外围电路的快速连接与快速断开。同时，滑道4与壳体上轨道的配合可使功率变换单元在壳体内部沿着与壳体后板垂直的方向自由滑动，这样使得工人在安装与拆卸过程中不需要进入壳体后部，也不需要拆装螺栓，只要沿着轨道推动或拉出模块化的功率变换单元，并使插头部分7插入或从插座部分8拔出，便可轻松并快速地完成功率变换单元的安装与拆卸，而无需拖着沉重的器件，极大方便了安装与拆卸，提高了工作效率。当发生故障时，可将模块化的功率变换单元整体地拆除然后升井进行维修，同时换上完好的功率变换单元即可继续工作，有效地缩短了故障停机时间，减少了现场维护的工作量，满足了设备现场维修的需求。
[0031]
在一些实施例中，插头部分7可包括绝缘底座、对内电缆或铜排以及插头。对内电缆或铜排可由螺栓紧固于绝缘底座上，插头的底部压在对内电缆或铜排并固定于绝缘底座上。插座部分8可包括绝缘底座、对外电缆以及插管。对外电缆可由螺栓紧固于绝缘底座上，插管的底部压在对外电缆并固定于绝缘底座上，则通过插头部分7与插座部分8的插接即可实现电连接。
[0032]
在一些实施例中，插头部分7可为六极插头结构，分别对应功率变换单元的三相输入和三相输出。其中，输入输出端口中的输入端对应功率变换单元的三相输入，其可通过对内电缆或铜排(该铜排可用作接收外部输入功率的输入铜排)电连接至整流桥10，从而使得外部输入功率经由输入铜排传输至整流桥10以对输入电压进行整流处理；输入输出端口中的输出端对应功率变换单元的三相输出，其对可通过对内电缆或铜排(该铜排可用作将能量输出至外部的输出铜排)连接至逆变器5，从而使得经逆变器5处理后的交流电压经由输
出铜排传输至外围设备。
[0033]
在一些实施例中，插头可为紫铜圆柱形，插管可为与插头的形状相匹配的圆筒形管，其材料也可为紫铜。本实施例中的插座部分8采用突出于后板1绝缘底座的管状结构，使得后板1或绝缘底座的厚度不受限于插座部分8的结构，即不会因为插座部分8与插头部分7连接的部分设计于后板1或绝缘底座的内部而使其厚度过大。在一些实施例中，插管的内部还可包括可使插头与插管插接时接触更为贴合的结构，例如环设于插管内壁的弹片结构，从而提升插接式连接装置对电流的传输性能。
[0034]
在另一些实施例中，插接式连接装置的插头部分7和插座部分8也可采用其他结构，例如，插头部分7采用类似“母插头”形式的结构，插座部分8采用类似“公插头”形式的结构(例如嵌于绝缘底座内部的插孔结构)，只要通过插头部分7和插座部分8的插拔能够实现快速连接与断开即可。
[0035]
在一些实施例中，第一直流母线系统9可包括叠层母排和第一铜排。该叠层母排可连接至直流电容组2，第一铜排的一端可连接至叠层母排，另一端可连接至逆变器5的正负端，以使直流电容组2经叠层母排和第一铜排电连接至逆变器5。
[0036]
在一些实施例中，叠层母排包括层叠设置的正母排、绝缘层和负母排，其中，正母排和负母排可为薄铜板，绝缘层可包括多层绝缘纸，例如三层。直流电容组2可包括多个电容，叠层母排的正母排和负母排可分别对应该多个电容的正极和负极，使得直流电容组2与叠层母排连接。本实施例中的功率变换单元采用无电缆的叠层母排结构，能够降低自身阻抗和线路中的分布电感，从而有效降低igbt关断尖峰电压。同时，叠层母排可进行整体拆分与安装，利于母排质量控制的同时也便于拆卸及售后服务。
[0037]
多个电容上与正负极相对的一端可包括底脚，如图1-2所示，该多个电容可通过螺栓将底脚固定于安装板11上以使直流电容组2倒装于壳体中。
[0038]
在一些实施例中，位于水冷板3下表面的第二直流母线系统(未示出)可包括第二铜排，整流桥10的正负端可连接至第二铜排。由于第二铜排与第一直流母线系统电连接，则通过整流桥10与第二铜排的连接，第一直流母线系统与直流电容组2和逆变器5的连接，可实现整流桥10与直流电容组2和逆变器5的电连接。
[0039]
在一些实施例中，第一直流母线系统与第二直流母线系统可通过电缆电连接，即，通过水冷板3下表面的第二直流母线、水冷板3上表面的第一直流母线以及二者之间的电缆可实现水冷板3上下表面各器件的电连接。
[0040]
在一些实施例中，如图3所示，功率变换单元还可包括设置于水冷板3的第二表面的滤波电阻17和滤波电容(未示出)，滤波电阻17可连接滤波电容，由滤波电容连接至逆变器5的输出端以对逆变器5输出的交流电压进行滤波。具体而言，该滤波电阻17和滤波电容可设置多组，例如三组或者更多组。例如，当逆变器5的输出为三相输出时，可设置与三相输出分别对应的三组滤波电阻17和滤波电容，每组中的电阻的一端可电连接在一起，另一端连接至对应的滤波电容，再分别由滤波电容对应连接至逆变器5三相输出的一端，具体地，可通过细导线连接至输出端所对应的输出铜排上。
[0041]
在一些实施例中，如图3所示，整流桥10可包括三组二极管模块。功率变换单元还可包括设置于水冷板3的第二表面的一个晶闸管、充电电阻r1和放电电阻r2。具体地，充电电阻r1可通过细导线电连接至晶闸管以对直流电容组2进行充电，放电电阻r2电连接至叠
层母排以对直流电容组2进行放电处理，以保证维护人员的人身安全。例如，放电电阻r2可通过细导线连接至第二母排系统，由第二母排系统电连接至叠层母排，从而使得放电电阻r2电连接至水冷板3上表面的叠层母排。
[0042]
在一些实施例中，如图1和图3所示，在水冷板3的第一侧面14上插头部分7的左右两侧可设置入水口和出水口6，后板1上对应入水口和出水口6的位置设置两个圆孔12，该圆孔12可使入水口和出水口6穿过后板1，便于安装相应水管以接入外循环水冷系统，从而将功率变换单元内部的热量带走。
[0043]
本公开实施例还提供了一种矿用变频器，包括如上任一所述的功率变换单元以及控制器，该控制器可分别与上述功率变换单元中的整流器10、直流电容组2、逆变器5以及滤波电阻17等连接，以控制整流器10、直流电容组2、逆变器5以及滤波电阻17等的运行。控制器可设置于水冷板3上以构成模块化的功率变换单元的一部分，也可单独设置于壳体内的其他位置，本公开对此不作具体限定。
[0044]
如图4所示为根据本公开实施例提供的一种矿用隔爆兼本质安全型变频器的主电路图。如图4所示，该主电路采用拓扑结构，包括整流桥10和逆变器5，整流桥10采用不控整流，整流桥10与逆变器5之间连接有用于储能的直流电容组2，逆变器5采用两电平逆变电气拓扑结构，逆变器5的两电平拓扑是常规变频器的电气拓扑结构。当然，此处的两电平只是本公开的一个示例，本公开的技术方案还可采用其他形式的拓扑结构，如pwm整流、三电平等，本公开对此不作限定。逆变器5的输出端连接有滤波电阻17(包括电阻r3、r4和r5)和滤波电容可对逆变器5输出的交流电压进行滤波，可显著降低对外围设备的谐波电压和瞬间冲击电压影响。同时该变频器通过充电电阻r1和放电电阻r2分别对直流电容组2进行充电和放电处理，保证了电路系统的稳定和维护人员的人身安全。另外，该变频器结构紧凑，体积小，整体尺寸优于同类型产品，解决了常规变频器因体积大、结构复杂不便于在空间相对狭小的煤矿中进行拆卸与维修等困难。
[0045]
此外，尽管已经在本文中描述了示例性实施例，其范围包括任何和所有基于本公开的具有等同元件、修改、省略、组合(例如，各种实施例交叉的方案)、改编或改变的实施例。权利要求书中的元件将被基于权利要求中采用的语言宽泛地解释，并不限于在本说明书中或本公开的实施期间所描述的示例，其示例将被解释为非排他性的。因此，本说明书和示例旨在仅被认为是示例，真正的范围和精神由以下权利要求以及其等同物的全部范围所指示。
[0046]
以上描述旨在是说明性的而不是限制性的。例如，上述示例(或其一个或更多方案)可以彼此组合使用。例如本领域普通技术人员在阅读上述描述时可以使用其它实施例。另外，在上述具体实施方式中，各种特征可以被分组在一起以简单化本公开。这不应解释为一种不要求保护的公开的特征对于任一权利要求是必要的意图。相反，本实用新型的主题可以少于特定的公开的实施例的全部特征。从而，以下权利要求书作为示例或实施例在此并入具体实施方式中，其中每个权利要求独立地作为单独的实施例，并且考虑这些实施例可以以各种组合或排列彼此组合。本实用新型的范围应参照所附权利要求以及这些权利要求赋权的等同形式的全部范围来确定。
[0047]
以上实施例仅为本实用新型的示例性实施例，不用于限制本实用新型，本实用新型的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本实用新型的实质和保护范围
内，对本实用新型做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本实用新型的保护范围内。