高壓變頻器產品柜體結構設計

【摘 要】隨著行業市場競爭的白熱化，催生一代比一代性能更優，更智能化，更安全的變頻器產品。產品廠商為應對這一市場化趨勢，會不繼在技術上的細分解，安排專業人才來實現產品質量上的提升。變頻器產品柜體結構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化，完善。

【關鍵詞】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，成套產品柜體的要求外，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；柜體結構更復雜；涉及的內容更多；遵守的標準更嚴格。所以，高壓變頻器柜結構具有她的特殊性。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構設計所追求的。

1.高壓變頻器柜體產生及組成

高壓變頻器產品，在國內分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變頻。一般來說，變頻單元的CPU在民用領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，高壓變頻器產品就會獨立出一臺變壓器柜。為了實現高低壓的分離，會把各相串聯頗多的變頻單元分離出來單獨構成一個柜，叫變頻柜。此柜是高壓變頻器產品的核心。國內行業中，對此柜的結構設計一般有兩種方案，一種是柜框與各變頻單元分別投送客戶；另一種是柜內裝好變頻單元一體投送客戶。顯然，兩種方案的柜體結構設計是截然不同的。為了實現對變頻單元的雙閉環無速度傳感矢量控制，基本保護功能，冷卻系統控制，信號控制，DCS及控制中心的接駁會產生變頻器產品中叫做控制柜的柜體結構。變頻器產品根據一些客戶的要求，還會有PLC柜，旁路柜，電抗柜等，在此，不作說明。

2.變壓器柜的結構設計

不同的變頻器生產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，變壓器在柜內的溫升及負重將會是變壓器柜結構設計需攻克的兩大難題。一般來說，變壓器分自冷（AN），強迫循環冷卻（AF），就于AF方式為例，從國內市場需求出發，變壓器柜的結構設計會針對以下幾方面著手：

（1）設計風道，需采用仿真模擬設計軟件，獲取參數，為結構設計提供支持。

（2）負重設計，柜體底座采用仿真模擬設計，獲取參數，為底座結構設計提供支持。

（3）輸入方式滿足上下進線通用設計。

（4）柜體滿足前后維護或僅允許前面維護設計。

（5）柜體最少滿足二種以上運輸方式設計。

（6）柜體不低于IP31防護等級要求設計（風機除外）。

（7）運行噪音低于80dB設計。

（8）符合IEC61800-5-1等標準設計要求。

（9）柜體滿足試驗方便設計求。

（10）柜體滿足并柜設計要求。

（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構設計：

首先，變壓器柜空間設計要求是很高的，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。對變壓器柜結構設計人員對溝通，協調水平也是一個挑戰。

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

3.變頻單元的結構設計

變頻單元是變頻器產品的核心部分，變頻單元的結構設計受以下因素影響：

（1）電力電子元件工作環境溫度要求很高，而自身發熱又很大，兩者矛盾的問題需結構設計解決。

（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構設計解決。

（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.變頻柜結構設計

根據本文第1點提到：柜內裝好變頻單元一體投送客戶的變頻柜結構設計。客戶更容易接受，對自身產品質量也有保證。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）設計風道，需采用仿真模擬設計軟件，獲取參數，為結構設計提供支持，設計時，把單元裝配柜內一并模擬，這種仿真才真實有效。

（2）滿足負重，每相串聯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。

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

5.控制柜結構設計

（1）控制柜結構為實現高低電壓的分離，控制柜設計會從用戶角度考慮，因用戶接觸控制柜的次數會多一些，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等級的變頻器產品，在國內市場要求靠墻安裝。高壓部分需維護時，就必須設計成從正面低壓側開啟一道門進入高壓側維護。

（3）輸出方式滿足上下進線通用設計。

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

（5）預留空間給客戶實現一些特殊要求而增加元件排布的空間，以滿足變頻器產品的兼容性。

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

6.結束語

變頻器柜體結構市場上的要求？結構要求緊湊；柜體上，下進線方式要求通用，有些客戶還會要求柜體內走線；采用兩套柜并柜輸出，實現增加變頻器容量成雙倍增加；變頻器為實現同步、異步電機切換；客戶要求增加加熱器、UPS、PLC等非標要求；按行業內人們的說法，變頻器產品柜體結構設計，其實是鈑金，機械設計。所掌握的知識不必很豐富就可以完成柜體設計。實際上是一個思維誤區。柜體內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計。需掌握電氣知識后，柜體結構、機械設計才有此談起。電氣，結構設計是一個整體。只要分工明確、分清主次、相互配合，共同合作才會設計出一套滿足客戶要求的、優質的產品來。變頻器產品柜體設計尤其如此。

【參考文獻】

[1]梁昊.《最新變頻器國家強制性標準實施與設計選型使用技術手冊》.

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