关键词：变频控制柜；小型化；易维护性。

Abstract：With the continuous maturity and wide application of frequency conversion control cabinet technology, more and more application enterprises begin to pay attention to the miniaturization and maintainability of products; In this paper, the structural layout, structural characteristics and systematic analysis of the variable-frequency control cabinet are described, and a design scheme of the liquid cooled variable-frequency control cabinet with compact structure and easy maintenance is provided, which has a high guiding significance for the design of the variable-frequency control cabinet.

Keywords：Frequency conversion control cabinet; miniaturization; maintainability.

0 引言

变频控制柜主要通过调节设备的工作频率节约能源，能够平稳启动设备，减少设备直接启动时产生的大电流对电机的损害；同时自带模拟量输入、PID控制、通信功能等，可广泛适用于暖通空调冷热水循环等多种场合的自动控制^[1]。传统变频控制柜为满足实际应用中较高的盐雾、IP防护等级以及污染等级等需求,通常直接用独立的变频器单元和IP防护等级较高的柜体组成，而控制部分往往再单独成柜，由此建立整个变频控制系统。

但此类变频控制柜一般体积较大，有的产品维护时甚至需要将变频器单元从柜体内拆出来，操作起来十分不便；同时由于受空间和场地限制，一些体积较大的变频控制柜根本无法得到应用。因此，迫切需要一款易维护的小型化变频控制柜来满足实际使用需求^[2]。本文针对传统变频控制柜存在的问题，设计了一款结构紧凑、易维护的变频控制柜。

1 传统变频控制柜简介

传统变频控制柜一般都是变频器系统和控制系统分别成柜使用，或者作为两个分立的系统在一个柜体内成套，现有的这些成套方式都不能把柜体的空间充分利用，且售后维护困难，维护成本高。

图1所示为传统变频控制柜结构布局，采用变频器单元系统与控制系统成套到一个柜体的形式组成变频控制柜。

变频器单元系统主要包括变频器单元、主断路器、交流电抗器等，其中变频器单元内部主要包括：SCR（整流）组件、电解电容组件、IGBT（逆变）组件等核心组件实现整流（交流变直流）、逆变（直流变交流）。控制系统主要包括电气控制组件。控制柜内变频器单元系统位于柜体右侧，控制系统位于柜体左侧；各系统在同一柜体内各成组件，相对独立。传统的变频控制柜因各系统组件相对独立，结构布局上不能充分利用柜体内的空间。

传统变频控制柜因采用变频器单元系统与控制系统成套到一个柜体的形式，当变频器内的器件维护时，需要将变频器单元从变频控制柜中取出来，再通过拆卸变频器单元更换元器件，十分耗时耗力，大大增加了售后维护成本。

图2为传统变频控制柜的另一种成套方式，其采用变频器单元系统与控制系统分别成柜的形式，此结构布局由于需要两个柜体分别成套变频器单元系统与控制系统，导致一个机组上需要安装两套柜子，十分占用空间，且两个柜子之间需要走线，线缆就会露在柜体外，直接影响外观及走线位置的IP防护。同时，在变频器单元的器件维护上，亦需要将变频器单元从变频控制柜中取出来进行维护，十分不方便。

   图1  传统控制柜的结构布局（变频器单元系统与控制系统成套到一个柜体的形式）

          图2  传统控制柜的结构布局（变频器单元系统与控制系统分别成柜）

2紧凑型变频控制柜的设计说明

2.1紧凑型变频控制柜的系统分析

此变频控制柜功率单元基本组成，如图3和表1所示，包括：预充电电阻、整流用SCR模组、进线交流电抗器、电解电容模组、均压电阻、逆变用IGBT模组、HALL电流传感器、吸收电容、SCR驱动板卡、IGBT驱动板卡等。

图4为控制柜的拓扑图，三相交流RST输入→进入交流电抗器滤波→进入SCR组件整流（三相交流变成直流）→进入电解电容组件滤波（靠电容放电实现波形的连续）→进入IGBT组件逆变（直流变成三相交流）→三相交流UVW输出，此系统组成主要靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，此配置为变频器标准配置，以此功率单元基本组成为标准对器件进行选型，可满足绝大多说变频控制柜小型化、易维护性。

图3 功率单元框图

                                                表1功率单元组成

           图4 控制柜拓扑图

2.2紧凑型变频控制柜的结构布局

基于传统变频控制柜体积大、维护不方便及受场地限制等缺点，本文以变频器单元打散直接排布在到变频控制柜内为思路，进行变频控制柜的设计。   

       图5变频控制柜布局（框架）

          图6变频控制柜布局（技术点）

如图5、图6所示为变频控制柜布局（输入到输出）：输入铜排、主断路器、交流电抗器、SCR组件、电解电容组件、IGBT组件、输出铜排；此结构布局上进后出主回路呈“S”型，电气控制组件、风水换热器分别占用控制柜左上角、控制柜中间下部预留空间。

此变频控制柜特点是变频控制柜内部变频器单元采用打散的形式进行布局，即取消传统变频器单元，将变频器单元内部核心组件：SCR（整流）组件、电解电容组件、IGBT（逆变）组件直接排布到变频控制柜柜体中，充分利用了柜体内部的空间，此紧凑型设计实现所述变频控制柜的小型化。

此变频控制柜另一特点是因将：SCR（整流）组件、电解电容组件、IGBT（逆变）组件等变频器组件直接排布到变频控制柜柜体中，打开柜门即可维护器件，维修和售后更换问题上十分便捷，IGBT模块、SCR模块维护介绍如下：

（1）IGBT模块维护：如图7所示去掉PCB电源板组件盖板，通过铰链掀起PCB电源板组件即可直接更换IGBT模块。

                                图7 IGBT模块维护示意

（2）SCR模块维护：如图5、图6所示，拆掉SCR驱动板组件，即可直接更换SCR模块。

以上，变频控制柜结构布局紧凑、小巧；同时若机器出现故障可直接更换SCR模块、IGBT模块等变频器核心部件，维护十分方便，大大降低了售后维护成本。

2.3紧凑型变频控制柜的技术点

此变频控制柜，在设计上追求细节，结合现场使用、售后维护等总结出如下技术点；可为变频控制柜的设计提供参考：

（1）如图6所示，两侧底部安装支架的设置，一方面方便实际运输时叉车的使用，另一方面测试时可直接落地，无需考虑垫高等问题；且两侧支架可拆卸，待客户将整柜安装后，考虑到整体的美观性可选择拆除。

（2）如图6所示，电解电容把手的设置，使的电解电容组件的安装及维护上十分方便，安装及维护上一个人即可完成。

（3）如图6所示，操作器的安装孔位，采用敲落孔；此设计点针对选配件是一个很好的解决方案，需要安装操作器就敲掉，不需要安装操作器就无需处理，保留此敲落孔。

（4）如图5所示，风水换热器和SCR液冷板、IGBT液冷板管道串联设置来冷却腔体空气温度，可改善柜内空气质量、降低柜内空气湿度、提高器件寿命、提高系统可靠性^[3]，系统换热概念方案图如图8所示。

     图8系统换热概念方案图

（5）如图5、图6所示，此变频控制柜IP防护等级为IP55，柜外盐雾等级250H，柜内盐雾等级72H，满足300H UV测试要求；同时，此变频控制柜表面处理为整体经打磨后喷底层防锈漆、中间漆、面漆，总膜厚不低于100μm；可耐受户外霜冻、雨水、灰尘、紫外线等影响。

（6）如图5所示，此变频控制柜主断路器选用带柜门联锁断路器，柜门只有在断路器断开的情况下才能打开，规避掉上电后的一些安全隐患。

3 结束语

上述文章对变频控制柜的系统、基本结构、技术特点等进行了详细介绍；结合变频控制柜的发展趋势，对目前存在问题进行研究和分析，在控制柜小型化、易维护上给出了一些有效的解决方案；为变频控制柜的设计提供了有意义的指导。

参考文献

[1] 葛峰.《高压变频器在华电潍坊公司的应用与研究》.华北电力大学.2015.

[2] 于红业,芮巍,杜业.《煤层气用变频控制柜设计及应用》.设备管理与维修.2020.

[3] 林志刚.《一种液冷变频器的应用》.变频器世界.2018.

作者介绍：

郭腾飞（1992 年-）男 结构工程师 供职于上海辛格林纳新时达电机有限公司 研究方向为变频控制柜的设计开发

E-mail: guotf@ stepelectric.com