高壓變頻器產(chǎn)品柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計

【摘 要】隨著行業(yè)市場競爭的白熱化，催生一代比一代性能更優(yōu)，更智能化，更安全的變頻器產(chǎn)品。產(chǎn)品廠商為應(yīng)對這一市場化趨勢，會不繼在技術(shù)上的細分解，安排專業(yè)人才來實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量上的提升。變頻器產(chǎn)品柜體結(jié)構(gòu)的市場要求也是越來越高，但要滿足一定的條件下才可以優(yōu)化，完善。

【關(guān)鍵詞】變壓器柜；變頻單元；變頻柜；控制柜

0.引言

高壓變頻器柜體除滿足開關(guān)，成套產(chǎn)品柜體的要求外，還需滿足很重的元件安裝要求；電力電子元件安裝的特殊要求；柜體結(jié)構(gòu)更復(fù)雜；涉及的內(nèi)容更多；遵守的標準更嚴格。所以，高壓變頻器柜結(jié)構(gòu)具有她的特殊性。當然，體積小、重量輕、維護方便、安全可靠、低成本等顯而易見的因素一直會是柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計所追求的。

1.高壓變頻器柜體產(chǎn)生及組成

高壓變頻器產(chǎn)品，在國內(nèi)分3KV，6KV，10KV三個電壓等級，變頻器核心是由各個變頻單元來實現(xiàn)變頻。一般來說，變頻單元的CPU在民用領(lǐng)域其電源不能直接采用3KV，6KV，10KV等級的市電，通常的做法會采用變壓器來給變頻單元供電，高壓變頻器產(chǎn)品就會獨立出一臺變壓器柜。為了實現(xiàn)高低壓的分離，會把各相串聯(lián)頗多的變頻單元分離出來單獨構(gòu)成一個柜，叫變頻柜。此柜是高壓變頻器產(chǎn)品的核心。國內(nèi)行業(yè)中，對此柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計一般有兩種方案，一種是柜框與各變頻單元分別投送客戶；另一種是柜內(nèi)裝好變頻單元一體投送客戶。顯然，兩種方案的柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計是截然不同的。為了實現(xiàn)對變頻單元的雙閉環(huán)無速度傳感矢量控制，基本保護功能，冷卻系統(tǒng)控制，信號控制，DCS及控制中心的接駁會產(chǎn)生變頻器產(chǎn)品中叫做控制柜的柜體結(jié)構(gòu)。變頻器產(chǎn)品根據(jù)一些客戶的要求，還會有PLC柜，旁路柜，電抗柜等，在此，不作說明。

2.變壓器柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計

不同的變頻器生產(chǎn)廠商的所使用變壓器是有所不同的，不管怎樣，均需遵守IEC-60076-11，IEC-601800-5-1，GB6450-86，GB1094，GB19212.1-2003等標準。所以，變壓器在柜內(nèi)的溫升及負重將會是變壓器柜結(jié)構(gòu)設(shè)計需攻克的兩大難題。一般來說，變壓器分自冷（AN），強迫循環(huán)冷卻（AF），就于AF方式為例，從國內(nèi)市場需求出發(fā)，變壓器柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計會針對以下幾方面著手：

（1）設(shè)計風道，需采用仿真模擬設(shè)計軟件，獲取參數(shù)，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供支持。

（2）負重設(shè)計，柜體底座采用仿真模擬設(shè)計，獲取參數(shù)，為底座結(jié)構(gòu)設(shè)計提供支持。

（3）輸入方式滿足上下進線通用設(shè)計。

（4）柜體滿足前后維護或僅允許前面維護設(shè)計。

（5）柜體最少滿足二種以上運輸方式設(shè)計。

（6）柜體不低于IP31防護等級要求設(shè)計（風機除外）。

（7）運行噪音低于80dB設(shè)計。

（8）符合IEC61800-5-1等標準設(shè)計要求。

（9）柜體滿足試驗方便設(shè)計求。

（10）柜體滿足并柜設(shè)計要求。

（11）柜體溫升小于125K。

除以上方面外，一些外來因素也會影響到變壓器柜結(jié)構(gòu)設(shè)計：

首先，變壓器柜空間設(shè)計要求是很高的，因為，變頻柜，控制柜受變頻單元，元件的限制，基本是量身定做的，空間變化不大。往往變壓器柜體積做小些，市場份額就能爭取多些。

其次，在我國，變壓器的制造要求也有很嚴格的市場準入門檻。做變頻器的廠商，不一定會做變壓器。對變壓器柜結(jié)構(gòu)設(shè)計人員對溝通，協(xié)調(diào)水平也是一個挑戰(zhàn)。

總之，變壓器柜結(jié)構(gòu)設(shè)計除滿足功能性要求外，其強度，維護更換，運輸方便，使用環(huán)境等因素往往會使設(shè)計人員處于顧此失彼的境地。采用Top-Down設(shè)計手法，能很好地解決這些難題。

3.變頻單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計

變頻單元是變頻器產(chǎn)品的核心部分，變頻單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計受以下因素影響：

（1）電力電子元件工作環(huán)境溫度要求很高，而自身發(fā)熱又很大，兩者矛盾的問題需結(jié)構(gòu)設(shè)計解決。

（2）電線，電纜無法承載通過IGBT的大電流，需采用銅排代替，銅排占用的空間與元件排布存在矛盾問題需結(jié)構(gòu)設(shè)計解決。

（3）變頻單元空間還受IEC61800-5-1空間，沿邊絕緣距離，相與相之間距離等標準條件限制，觸使變頻單元各元件的排布合理并符合要求。

4.變頻柜結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)本文第1點提到：柜內(nèi)裝好變頻單元一體投送客戶的變頻柜結(jié)構(gòu)設(shè)計。客戶更容易接受，對自身產(chǎn)品質(zhì)量也有保證。當然，變頻柜安裝單元后投送時其強度要過硬為前提。變頻柜僅滿足這一點是遠遠不夠的。還需從以下幾點著手：

（1）設(shè)計風道，需采用仿真模擬設(shè)計軟件，獲取參數(shù)，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供支持，設(shè)計時，把單元裝配柜內(nèi)一并模擬，這種仿真才真實有效。

（2）滿足負重，每相串聯(lián)幾個到十幾個不等的變頻單元，每個變頻單元重量輕者幾十斤，重者幾百斤，三相總和。柜體負重也是不小的。

（3）滿足單元的互換性，每個單元占用的空間需保持一致。固定單元需簡便設(shè)計，對維護，更換才方便，快捷。

當然，本文第1點提到（4）、（5）、（7）、（8）、（9）、（10）點也是要滿足的。

變頻柜結(jié)構(gòu)設(shè)計的好，壞直接與變頻單元的使用壽命相關(guān)。由于國內(nèi)變頻產(chǎn)品使用在礦山，火力電站，鋼鐵企業(yè)等環(huán)境較差的地方。早期，國內(nèi)變頻柜的防護達到IP20，IP21就可行了；目前，國內(nèi)市場對防護要求越來越高。電力電子元件對粉塵，濕度等較差空間環(huán)境除會影響壽命外，還會影響使用功能，產(chǎn)生安全隱患。變頻柜成了變頻單元的一道防護屏障，客戶會很在意。自然，也是變頻柜結(jié)構(gòu)設(shè)計需攻克的難題之一。

5.控制柜結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）控制柜結(jié)構(gòu)為實現(xiàn)高低電壓的分離，控制柜設(shè)計會從用戶角度考慮，因用戶接觸控制柜的次數(shù)會多一些，往往正面排布低壓部件，背部排布高壓部件來歸避觸電的危險。

（2）3KV，6KV等級的變頻器產(chǎn)品，在國內(nèi)市場要求靠墻安裝。高壓部分需維護時，就必須設(shè)計成從正面低壓側(cè)開啟一道門進入高壓側(cè)維護。

（3）輸出方式滿足上下進線通用設(shè)計。

（4）元件排布，工藝布線，操作方便等細節(jié)設(shè)計是客戶直觀評價變頻器產(chǎn)品好，壞的窗口，設(shè)計時需追求合理，美觀，人性化。

（5）預(yù)留空間給客戶實現(xiàn)一些特殊要求而增加元件排布的空間，以滿足變頻器產(chǎn)品的兼容性。

當然，本文第1點提到（5）、（6）、（8）、（9）、（10）點也是要滿足的。

6.結(jié)束語

變頻器柜體結(jié)構(gòu)市場上的要求？結(jié)構(gòu)要求緊湊；柜體上，下進線方式要求通用，有些客戶還會要求柜體內(nèi)走線；采用兩套柜并柜輸出，實現(xiàn)增加變頻器容量成雙倍增加；變頻器為實現(xiàn)同步、異步電機切換；客戶要求增加加熱器、UPS、PLC等非標要求；按行業(yè)內(nèi)人們的說法，變頻器產(chǎn)品柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計，其實是鈑金，機械設(shè)計。所掌握的知識不必很豐富就可以完成柜體設(shè)計。實際上是一個思維誤區(qū)。柜體內(nèi)的每件鈑金均是建立在理解了電氣原理后，每個元件選完型號后作出的設(shè)計。需掌握電氣知識后，柜體結(jié)構(gòu)、機械設(shè)計才有此談起。電氣，結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個整體。只要分工明確、分清主次、相互配合，共同合作才會設(shè)計出一套滿足客戶要求的、優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品來。變頻器產(chǎn)品柜體設(shè)計尤其如此。

【參考文獻】

[1]梁昊.《最新變頻器國家強制性標準實施與設(shè)計選型使用技術(shù)手冊》.

[2]《IEC61800-5-1□2007 Adjustable speed electrical power drive systems》.