一种变频一体机

技术领域

本发明一般地涉及电机应用领域。更具体地，本发明涉及一种变频一体机。

背景技术

目前，在煤矿、港口等工作场景中，经常使用电机来驱动皮带进行货物运输。在电机的运行过程中，根据运输货物和应用场景的不同，有时需要改变电机的转速。而现有的电机通常不具有改变转速的功能，或者虽然可以改变电机转速，但是采用不改变同步转速的调速方法，例如采用斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力耦合器、油膜离合器等进行调速。

其次，现有的一体机在结构设计中，通常将电抗器箱体和电机箱体分开设计，独立安装，并且将电抗器箱体悬挂安装于变频器箱体的一侧。这样的设计造成了一体机结构不紧凑，整体体积较大，并且使得一体机结构不稳定。另外，现有一体机的供电电源的入线位置通常布置于靠近变频组件或电抗箱组件，而在实际的工作场景中，由于受到地形位置的影响，上述供电电源的入线位置往往会带来许多不便。

发明内容

为了解决上述背景技术中的一个或多个问题，本发明提供了一种将变频器、电机以及电抗器配合使用的变频一体机。该变频一体机通过控制器控制变频器的逆变单元，从而将三相交流电进行频率转换并向所述电机进行输出，从而改变电机的转速。另外，本发明的变频一体机的电抗器布置于所述变频一体机的下部，并且与所述电机位于同一箱体内，从而简化了变频调速一体机的机械结构，减小了所述变频一体机的体积，同时使得所述变频一体机在使用过程中更加稳固。

具体地，本发明公开了一种变频一体机，包括变频器、电抗器和电机。其中，所述变频器布置于第一箱体内，并且用于将所述电抗器输出的交流电进行频率转换并输出；所述电抗器和电机布置于第二箱体内，其中所述电抗器用于将交流电进行稳压和抑制干扰处理后，向所述变频器输出；以及所述电机用于接收所述变频器输出的所述交流电，以便使其运转来驱动负载。

在一个实施例中，所述第一箱体固定连接于所述第二箱体的上部。

在另一个实施例中，所述变频器包括整流单元、直流回路和逆变单元。其中，所述整流单元用于将所述交流电转换成直流电。所述直流回路包括直流母线和储能电容，并且用于将所述整流单元输出的所述直流电进行缓冲和储能。所述逆变单元用于将经过所述直流回路处理后的所述直流电转变为，与所述电抗器输出的交流电频率不同的交流电。

在又一个实施例中，所述第二箱体上布置有接线盒，其用于将外部交流电缆线引入所述变频一体机。

在一个实施例中，所述接线盒布置于所述第二箱体靠近所述电机的一侧。

在另一个实施例中，所述第二箱体沿所述电机轴向的两侧分别布置有所述接线盒。

本发明的变频一体机通过将电抗器布置于所述变频一体机的特殊位置，从而解决了传统一体机将电抗器悬挂安装于变频器侧面所带来的结构不稳固的问题。其次，本发明的变频一体机实现了电源电缆线由电机部位引入，从而满足了对变频一体机特殊的安装需求。此外，本发明的变频一体机还实现了对称设计，其可以根据需求进行左边或右边电缆引入，从而满足针对不同工况下的使用需求。另外，本发明的变频一体机还具有结构简单、整机体积小并且运行稳定可靠等优点。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，可以更好地理解本发明的上述特征，并且其众多目的、特征和优点对于本领域技术人员而言是显而易见的。下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他的附图，其中:

图1是示出根据本发明实施例的变频一体机的组成示意图；

图2是示出根据本发明实施例的变频一体机的外部结构图；

图3是示出根据本发明实施例的变频一体机的另一外部结构图；

图4是示出根据本发明实施例的变频器的组成框图；

图5是示出根据本发明实施例的整流电路的原理图；以及

图6是示出根据本发明实施例的逆变电路的原理图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是示出根据本发明实施例的变频一体机100的组成框图。

如图1所示，本发明的变频一体机100可以包括变频器101、电抗器102和电机103。其中，所述变频器布置于第一箱体104内，并且用于将所述电抗器输出的交流电进行频率转换并输出。所述电抗器和电机布置于第二箱体内105，其中所述电抗器用于将交流电进行稳压和抑制干扰处理后，向所述变频器输出。所述电机用于接收所述变频器输出的所述交流电，以便使其运转来驱动负载。

在一个实施例中，本发明的变频一体机还可以包括控制器，其可以是由中央处理器(“CPU”)和存储器等具有分析、判断、计算等处理能力和存储能力的芯片或系统构成。所述控制器可以布置于所述变频一体机的内部或者外部，并且配置用于控制所述变频器将所述交流电进行频率转换。进一步，所述控制器还可以用于监测和控制所述电机的运行状态，以及控制所述变频器进行预充电操作。

在一个实施例中，本发明的变频一体机还可以包括变压器，所述变压器的输出为所述高压三相交流电。具体地，所述变压器可以包括铁芯(或磁芯)和线圈，所述线圈有两个或两个以上的绕组，其中连接所述高压电网的绕组是初级线圈，连接所述变频器输入端的绕组是次级线圈。所述变压器可以变换交流电压、电流和阻抗。通常所述高压电网输送来的高压三相交流电的电压高达100千伏以上，并不适合于电机等设备的使用。因此需要通过变压器对其进行降压处理，以便向所述变频器输出6千伏～10千伏的高压三相交流电，从而可以实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配，以及高压电网与变频器的整流单元之间的高压电隔离。

图2是示出根据本发明实施例的变频一体机200的外部结构图。

如图2所示，本发明的变频一体机可以包括第一箱体201、第二箱体202、接线盒203和底座204。其中，所述第一箱体和第二箱体可以为长方体，并且所述第一箱体可以通过螺栓或螺钉固定连接于所述第二箱体之上。所述第一箱体和第二箱体之间的连接面可以分别布置有用于电缆贯穿的多个孔洞，其中所述电缆可以包括用于连接电抗器与变频器的电缆，以便将所述电抗器处理之后的三相交流电输出给所述变频器。所述电缆还可以包括用于连接变频器与电机的电缆，以便将所述变频器处理之后的三相交流电输出给所述电机，进而驱动所述电机运转。

进一步，所述第一箱体内可以容纳有所述变频器，而所述第二箱体内可以容纳有所述电机和电抗器。其中，所述电抗器可以包括电抗元件，其用于将外部输入到所述变频一体机的交流电进行稳压以及抑制干扰等处理。在一个应用场景中，所述第二箱体的下部布置有独立的底座。当所述变频一体机安放于工作场景中时，所述底座与地面接触，以便增强所述变频一体机的稳定性。

在一个实施例中，所述第二箱体上可以布置有所述接线盒，以便用于将外部交流电缆线引入所述变频一体机。进一步，所述接线盒布置于所述第二箱体靠近所述电机的一侧。优选地，所述第二箱体沿所述电机轴向的两侧可以分别设置有所述接线盒，以便根据工作场景的需求可以从所述变频一体机的任意一侧引入所述交流电缆线。

当所述变频一体机工作时，可以将外部交流电缆通过插接的方式与所述变频一体机一侧的接线盒连接。由此，来自外部的三相交流电通过接线盒输入到所述变频一体机。接着，该三相交流电通过电抗器与接线盒之间的电缆输出到所述电抗器。然后，经过电抗器处理并输出的三相交流电通过电抗器与变频器之间的电缆输入到所述变频器。最后，经过变频器处理并输出的三相交流电通过变频器与电机之间的电缆输入到所述电机，从而驱动所述电机运转。

在另一个实施例中，所述变频一体机还可以包括中间端盖，其用于将所述电机和所述电抗器进行分隔。进一步，所述电机的转轴205穿过所述中间端盖。并且所述中间端盖的内径与轴承外圈过盈连接，而所述轴承内圈则与所述电机转轴过盈连接。通过这样的结构设置，使得所述电机转轴可以通过轴承进行旋转，而所述中间端盖用于对所述电机轴承进行支撑和固定。进一步，所述中间端盖上还可以布置有注油孔，其可以布置于所述的变频一体机的两侧，以便用于对所述电机的轴承进行注油润滑。

在又一个实施例中，所述变频一体机还可以包括散热系统。其可以包括分别布置于所述第一箱体底部的水道和水座，所述水道和水座相互配合，以便形成对所述变频器进行散热的水流通路。在一个应用场景中，所述变频器箱体底部布置有迂回形状的水道，在所述水道上部布置有变频器的绝缘栅双极型晶体管(简写“IGBT”)模块。并且沿垂直于电机转轴方向的两侧分别布置有，与所述迂回形水道连接的变频水道进水口和变频水道出水口。在变频一体机运行过程中，通过向所述变频水道进水口注入冷水，所述冷水在所述迂回形状的水道内流动，最终从变频水道出水口流出，从而实现对所述变频器的IGBT模块进行散热。

图3是示出根据本发明实施例的变频一体机200的另一外部结构图。可以理解的是，图3所示变频一体机是将图2所示变频一体机沿水平方向逆时针旋转90度而获得，并且图3中还示出了变频器的内部结构。

如图3所示，本发明的变频一体机的变频器可以包括IGBT模块301。其是由IGBT芯片与续流二极管芯片(“FWD”)通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品。封装后的IGBT模块可以直接应用于变频器、UPS不间断电源等设备上。所述IGBT模块具有节能、安装维修方便以及散热稳定等特点。

在一个实施例中，所述第二箱体靠近所述电机的一侧可以布置有所述接线盒，其可以通过螺栓或者螺钉固定连接于所述第二箱体上。进一步，所述第二箱体靠近所述电机的另外一侧可以布置有接线盒接口302。所述接线盒接口可以布放有连接所述电抗器的电缆线。当需要转换变频一体机的入线电缆的方向时，可以快速将第二箱体一侧的接线盒拆卸，并且将其安装于所述第二箱体的另外一侧。

在另一个实施例中，所述电机可以为永磁电机，其可以包括定子、转子和转轴。其中，所述转子与所述转轴固定连接，所述转轴的两端分别布置有轴承，所述轴承的内圈与所述转轴过盈连接，两个轴承的外圈分别与外端盖303和所述中间端盖固定连接。所述定子上缠绕有绕组线圈，当所述绕组线圈接收到所述变频器输出的三相交流电时，通过定子产生的磁通使得所述转子旋转，进而带动所述转轴旋转。

图4是示出根据本发明实施例的变频器400的组成框图。

如图4所示，本发明的变频器400可以包括预充电电路401、整流单元402、直流回路403以及逆变单元404。在一个实施例中，所述整流单元可以包括整流器和滤波器，其中所述整流器利用具有单向导电特性的元器件，可以将变压器输出的电压较高且方向和大小变化的交流电转换成单向脉动性直流电。所述滤波器用于滤除所述脉动直流电压中的交流成分。

在一个实施例中，所述整流单元例如可以是图5所示的由三相整流桥所组成的整流电路500。如图5所示，所述整流电路的输入端用于接收所述三相交流电(R相、S相和T相)，其输出端用于输出经过整流处理之后的直流电。作为一个具体的电路实现，所述三相整流桥可以由18个整流二极管D1～D18组成，其中R相电压连接于串联的第一上桥(由串联的D1～D3组成)和第一下桥(由串联的D4～D6)之间；S相电压连接于串联的第二上桥(由串联的D7～D9组成)和第二下桥(由串联的D10～D12)之间；T相电压连接于串联的第三上桥(由串联的D13～D15组成)和第三下桥(由串联的D16～D18)之间。进一步，整流二极管D1、D7和D13的输出端连接于一点，以作为直流母线的DC+端；整流二极管D6、D12和D18的输入端连接于一点，以作为直流母线的DC-端。下面简要描述整流电路的工作原理。

所述整流电路在任意时刻下的输出电流，是由三相电中最高电位的一相所连接的整流二极管流出，并且经过负载流向电位最低的一相所连接的整流二极管，最终流回电源。例如在0～30度之间的情形下，由于T相电位最高，S相电位最低，故在这段时间内整流二极管D15、D14、D13和D12、D11、D10始终处于导通状态，而其余二极管则处于截止状态。因此，此时电流由T相输出，并顺序流经D15、D14和D13，然后流经负载，再顺序由D12、D11和D10流回S相，此时T相输出即为整流电路的输出。

在30～90度之间的情形下，由于R相电位最高，S相电位最低，故在这段时间内整流二极管D3、D2、D1和D12、D11、D10始终处于导通状态，而其余二极管则处于截止状态。因此，此时电流由R相输出，并顺序流经D3、D2和D1，然后流经负载，再顺序由D12、D11和D10流回S相，此时R相输出即为整流电路的输出。

进一步，在90～150度之间的情形下，由于R相电位最高，T相电位最低，故在这段时间内整流二极管D3、D2、D1和D18、D17、D16始终处于导通状态，而其余二极管则处于截止状态。因此，此时电流由R相输出，并顺序流经D3、D2和D1，然后流经负载，再顺序由D18、D17和D16流回T相，此时R相输出即为整流电路的输出。以此类推，可以得出150度～360度情形下的整流电路的输出。有上述可知，经过三组整流二极管的轮流导通，最终，整流电路将所述10KV高压三相交流电转换为高压直流电。

在另一个实施例中，所述直流回路可以包括由直流母线和储能电容所构成的电路。如图4所示，所述直流母线由DC+端和DC-端构成，所述储能电容C可以包括C1、C2、C3和C4等多个电容。进一步，所述储能电容C可以为电解电容。可以理解的是，图4中的直流回路中的储能电容C根据应用场景的不同还可以替换为储能电感等其他储能元器件，并且所述储能电容的数量可以为多个。

在又一个实施例中，所述预充电电路布置于所述整流单元的输入端，并且用于通过所述交流电对所述直流回路中的储能电容C进行预充电。当所述变频器加电时，变频器的直流回路中的电解电容在没有建立电压之前，其充电瞬间相当于短路状态。此时，由于整流单元输出的直流电压极高，因此充电电流非常大，进而有可能会损害整流二极管、直流母线上的电解电容和其他变频器部件。基于此原因，为了限制充电电流过大，必须对直流回路中的电解电容进行预充电。

当所述电解电容预充电过程完成后，所述整流单元即可以通过直流回路向所述逆变单元输出直流电。由于所述电机为属于感性负载，因此无论电机处于何种运行状态，其功率因素总不为1。因此在直流回路和电机之间总会有无功功率的交换，这种无功功率需要直流回路中的储能元件来进行缓冲，以便使整流单元输出的直流电压始终保持平稳。基于上述原理，所述直流回路用于接收和存储整流单元发送来的直流电，并且将所述直流电进行抑制干扰等处理。

在一个实施例中，所述逆变单元可以包括由多个逆变桥所构成的逆变电路，所述逆变桥可以由多个IGBT模块构成。具体地，所述逆变单元可以包括逆变桥、逻辑控制电路和滤波电路，并且配置用于将直流回路输出的直流电转换成定频定压或调频调压的交流电，以便供给永磁电机使用。进一步地，所述逆变桥可以包括输入接口、电压启动回路、功率开关元件、直流变换回路和反馈回路等部分；所述逻辑控制电路可以包括脉宽调制控制器、载波发生器和调制波发生器等部分，并且其可以布置于所述控制器内或者其功能可以由所述控制器完成。

在所述逆变单元工作过程中，所述逆变桥在将直流电转变为三相交流电的过程中起到了关键的作用。其通过逻辑控制电路所产生的脉宽调制信号，控制位于其上桥和下桥上的功率开关元件的导通或者断开，从而在逆变桥的三个输出端上获得相位互差120°的三相交流电，以便向所述电机进行输出。在一个实施例中，所述功率开关元件例如可以是绝缘栅双极型晶体管(“IGBT”)，其具有的高输入阻抗和低导通电压等优点。

所述逆变单元与所述控制器通过通讯线路连接，例如其可以通过RS-485串行总线与逆变单元进行相互通信。所述控制器配置用于接收并处理所述逆变单元传送来的信号。并且根据处理结果向所述逆变单元发送PWM控制信号，以便控制所述IGBT进行轮流导通，从而对所述逆变单元输出的交流电的频率进行改变，进而控制电机的转速。

作为一个具体的电路实现，所述逆变电路可以为图6所示的包括6个IGBT模块VT1～VT6的逆变电路600。如图6所示，VT1和VT2串联组成第一桥式电路，并且所述逆变电路输出的三相交流电中的U相电压取自VT1和VT2之间。VT3和VT4串联组成第二桥式电路，并且所述逆变电路的三相交流电中的V相电压取自VT3和VT4之间。VT5和VT6串联组成第三桥式电路，并且所述逆变电路的三相交流电中的W相电压取自VT5和VT6之间。下面简要说明所述逆变电路的工作原理。

为了描述方便，把一个周期时间分成t1～t6。对于U相和V相之间的电压U

对于V相和W相之间的电压U

对于W相和U相之间的电压U

由上述分析可知，U

在变频器工作过程中，首先，电抗器输出的交流电经过预充电电路处理后，将其转变为小电流交流电。随后，整流单元将该小电流交流电转换为小电流直流电，并且通过该小电流直流电对直流回路中的储能电容C进行预充电。当预充电过程完成后，断开预充电电路，此时电抗器输出的交流电经过整流单元进行整流处理，进而输出直流电。接着，该直流电经过直流回路的储能和干扰抑制等处理之后，流向逆变单元。最后，逆变单元将所述直流电进行逆变处理，以便将其转换为与电抗器输出的交流电频率不同的交流电，并将其输出给电机，从而驱动所述电机运转。当需要改变电机转速时，通过控制器改变PWM信号的变化周期来调节逆变器的IGBT的导通频率，使得电机接收到不同频率的三相交流电，从而改变电机的转速。

应当理解，本发明的权利要求、说明书及附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本公开的说明书和权利要求书中使用的术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的，而并不意在限定本发明。如在本发明说明书和权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。还应当进一步理解，在本发明说明书和权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

虽然本发明所实施的方式如上，但所述内容只是为便于理解本发明而采用的实施例，并非用以限定本发明的范围和应用场景。任何本发明所述技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。