高压变频器产品柜体结构设计

高压变频器产品柜体结构设计

【摘要】随着行业市场竞争的白热化，催生一代比一代性能更优，更智能化，更安全的变频器产品。产品厂商为应对这一市场化趋势，会不继在技术上的细分解，安排专业人才来实现产品质量上的提升。变频器产品柜体结构的市场要求也是越来越高，但要满足一定的条件下才可以优化，完善。

【关键词】变压器柜；变频单元；变频柜；控制柜

0.引言

高压变频器柜体除满足开关，成套产品柜体的要求外，还需满足很重的元件安装要求；电力电子元件安装的特殊要求；柜体结构更复杂；涉及的内容更多；遵守的标准更严格。所以，高压变频器柜结构具有她的特殊性。当然，体积小、重量轻、维护方便、安全可靠、低成本等显而易见的因素一直会是柜体结构设计所追求的。

1.高压变频器柜体产生及组成

高压变频器产品，在国内分3KV，6KV，10KV三个电压等级，变频器核心是由各个变频单元来实现变频。一般来说，变频单元的CPU在民用领域其电源不能直接采用3KV，6KV，10KV等级的市电，通常的做法会采用变压器来给变频单元供电，高压变频器产品就会独立出一台变压器柜。为了实现高低压的分离，会把各相串联颇多的变频单元分离出来单独构成一个柜，叫变频柜。此柜是高压变频器产品的核心。国内行业中，对此柜的结构设计一般有两种方案，一种是柜框与各变频单元分别投送客户；另一种是柜内装好变频单元一体投送客户。显然，两种方案的柜体结构设计是截然不同的。为了实现对变频单元的双闭环无速度传感矢量控制，基本保护功能，冷却系统控制，信号控制，DCS及控制中心的接驳会产生变频器产品中叫做控制柜的柜体结构。变频器产品根据一些客户的要求，还会有PLC柜，旁路柜，电抗柜等，在此，不作说明。

2.变压器柜的结构设计

不同的变频器生产厂商的所使用变压器是有所不同的，不管怎样，均需遵守IEC-60076-11，IEC-601800-5-1，GB6450-86，GB1094，GB19212.1-2003等标准。所以，变压器在柜内的温升及负重将会是变压器柜结构设计需攻克的两大难题。一般来说，变压器分自冷（AN），强迫循环冷却（AF），就于AF方式为例，从国内市场需求出发，变压器柜的结构设计会针对以下几方面着手：

（1）设计风道，需采用仿真模拟设计软件，获取参数，为结构设计提供支持。

（2）负重设计，柜体底座采用仿真模拟设计，获取参数，为底座结构设计

提供支持。

（3）输入方式满足上下进线通用设计。

（4）柜体满足前后维护或仅允许前面维护设计。

（5）柜体最少满足二种以上运输方式设计。

（6）柜体不低于IP31防护等级要求设计（风机除外）。

（7）运行噪音低于80dB设计。

（8）符合IEC61800-5-1等标准设计要求。

（9）柜体满足试验方便设计求。

（10）柜体满足并柜设计要求。

（11）柜体温升小于125K。

除以上方面外，一些外来因素也会影响到变压器柜结构设计：

首先，变压器柜空间设计要求是很高的，因为，变频柜，控制柜受变频单元，元件的限制，基本是量身定做的，空间变化不大。往往变压器柜体积做小些，市场份额就能争取多些。

其次，在我国，变压器的制造要求也有很严格的市场准入门槛。做变频器的厂商，不一定会做变压器。对变压器柜结构设计人员对沟通，协调水平也是一个挑战。

总之，变压器柜结构设计除满足功能性要求外，其强度，维护更换，运输方便，使用环境等因素往往会使设计人员处于顾此失彼的境地。采用Top-Down设计手法，能很好地解决这些难题。

3.变频单元的结构设计

变频单元是变频器产品的核心部分，变频单元的结构设计受以下因素影响：

（1）电力电子元件工作环境温度要求很高，而自身发热又很大，两者矛盾的问题需结构设计解决。

（2）电线，电缆无法承载通过IGBT的大电流，需采用铜排代替，铜排占用的空间与元件排布存在矛盾问题需结构设计解决。

（3）变频单元空间还受IEC61800-5-1空间，沿边绝缘距离，相与相之间距离等标准条件限制，触使变频单元各元件的排布合理并符合要求。

4.变频柜结构设计

根据本文第1点提到：柜内装好变频单元一体投送客户的变频柜结构设计。客户更容易接受，对自身产品质量也有保证。当然，变频柜安装单元后投送时其强度要过硬为前提。变频柜仅满足这一点是远远不够的。还需从以下几点着手：

（1）设计风道，需采用仿真模拟设计软件，获取参数，为结构设计提供支持，设计时，把单元装配柜内一并模拟，这种仿真才真实有效。

（2）满足负重，每相串联几个到十几个不等的变频单元，每个变频单元重量轻者几十斤，重者几百斤，三相总和。柜体负重也是不小的。

（3）满足单元的互换性，每个单元占用的空间需保持一致。固定单元需简便设计，对维护，更换才方便，快捷。

当然，本文第1点提到（4）、（5）、（7）、（8）、（9）、（10）点也是要满足的。

变频柜结构设计的好，坏直接与变频单元的使用寿命相关。由于国内变频产品使用在矿山，火力电站，钢铁企业等环境较差的地方。早期，国内变频柜的防护达到IP20，IP21就可行了；目前，国内市场对防护要求越来越高。电力电子元件对粉尘，湿度等较差空间环境除会影响寿命外，还会影响使用功能，产生安全隐患。变频柜成了变频单元的一道防护屏障，客户会很在意。自然，也是变频柜结构设计需攻克的难题之一。

5.控制柜结构设计

（1）控制柜结构为实现高低电压的分离，控制柜设计会从用户角度考虑，因用户接触控制柜的次数会多一些，往往正面排布低压部件，背部排布高压部件来归避触电的危险。

（2）3KV，6KV等级的变频器产品，在国内市场要求靠墙安装。高压部分需维护时，就必须设计成从正面低压侧开启一道门进入高压侧维护。

（3）输出方式满足上下进线通用设计。

（4）元件排布，工艺布线，操作方便等细节设计是客户直观评价变频器产品好，坏的窗口，设计时需追求合理，美观，人性化。

（5）预留空间给客户实现一些特殊要求而增加元件排布的空间，以满足变频器产品的兼容性。