專(zhuān)利名稱(chēng)：具有模塊化空間結(jié)構(gòu)的高壓變頻器變流單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高壓變頻器變流單元，應(yīng)用于多電平單元串聯(lián)疊加型高壓變 頻器中的功率換流系統(tǒng)中。
背景技術(shù)：
在"十一五"十大重點(diǎn)節(jié)能工程之電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程中，應(yīng)用高壓變頻器 對(duì)大功率高壓電機(jī)進(jìn)行調(diào)速運(yùn)行而節(jié)能就是其中的重要一項(xiàng)。高壓變頻器技術(shù)隨 著功率器件性能的t艮而成熟，其核心器件就是強(qiáng)制可開(kāi)關(guān)器件，在此基礎(chǔ)上的
10KV電壓等級(jí)的高壓變頻器中，成熟應(yīng)用的就是多電平單元串聯(lián)疊加型高壓變頻 器，采用強(qiáng)性開(kāi)關(guān)電力電子器件制作的獨(dú)立的變流單元就是高壓變頻器的核心， 每一個(gè)變流單元的穩(wěn)定都決定著整套高壓變頻器的穩(wěn)定。
多電平單元串聯(lián)疊加型拓樸的變頻器中的變流單元，是在疊加電平上進(jìn)行頻 率變換運(yùn)行的裝置，其電源環(huán)境，散熱環(huán)境均十分惡劣。要應(yīng)用的電壓等級(jí)越高， 則在每個(gè)回路中串起的變流單元越多，其電磁環(huán)就越惡劣，對(duì)變流單元的性能要 求就越高。由于其電源與工作環(huán)境，其控制地電平對(duì)外部隨疊加電平的變化而整 體變化，這時(shí)對(duì)變流單元內(nèi)的智能控制統(tǒng)則要求一個(gè)相對(duì)潔靜的電磁環(huán)境，即將 主回路上高電壓產(chǎn)生的磁塊的環(huán)境與控制芯片電源的低壓回路相互隔離，其相互 隔離的效果將決定其電磁干擾的程度。對(duì)應(yīng)于功率電力電子器件的散熱，其散熱 結(jié)構(gòu)的合理性，將決定其散熱效果的好壞與功率器件的穩(wěn)定運(yùn)行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提供一種抗電磁干擾、高低壓回路隔離、散熱性能好的高 壓變頻器變流單元，為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案為
該變流單元由設(shè)置在框架結(jié)構(gòu)內(nèi)且相互隔離的以下模塊化空間組成高壓整流空間、高壓平波儲(chǔ)流空間、高壓逆變空間、輸出旁路空間、低壓智能屏蔽空間
和功率器件驅(qū)動(dòng)回路空間；交流電壓接入高壓整流空間，高壓整流空間將交流電 壓轉(zhuǎn)化為脈動(dòng)直流電壓；從高壓整流空間出來(lái)的脈動(dòng)直流電壓接入高壓平波儲(chǔ)流 空間，高壓平波儲(chǔ)流空間將脈動(dòng)直流電壓轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定直流電壓，同時(shí)扼制浪涌電 流；從高壓平波儲(chǔ)流空間出來(lái)的穩(wěn)定直流電壓接入高壓逆變空間，高壓逆變空間 將穩(wěn)定直流電壓轉(zhuǎn)化為頻率可調(diào)節(jié)的正弦交流電壓；高壓逆變空間同時(shí)連接功率 器件驅(qū)動(dòng)回路空間和輸出旁路空間，功率器件驅(qū)動(dòng)回路空間輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)至高壓 逆變空間，輸出旁路空間實(shí)現(xiàn)旁路功能；功率驅(qū)動(dòng)回路空間與低壓智能屏蔽空間 相連，低壓智能屏蔽空間對(duì)變流單元各空間進(jìn)行監(jiān)控，運(yùn)行邏輯驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)信號(hào) 輸入與輸出。
框架結(jié)構(gòu)內(nèi)由主殼體、屏蔽板、板支架、彎形側(cè)板和直形側(cè)板組成，它們與 散熱器、電解電容組以及風(fēng)道架形成多通道風(fēng)冷空間。
高壓整流空間內(nèi)設(shè)置全橋整流模塊和功率輸入保險(xiǎn)。
高壓平波儲(chǔ)流空間內(nèi)設(shè)置輸入扼流電感、電解電容組、均壓功率電阻，其中 輸入扼流電感釆用NP29材質(zhì)的H型磁環(huán)二塊安裝于專(zhuān)用的固定安裝盒內(nèi)構(gòu)成，電 解電容組用6只450V的電解電容，以三串兩并的布局排列形成一個(gè)穩(wěn)定的電容組 結(jié)構(gòu)體。
高壓逆變空間內(nèi)設(shè)置IGBT模塊和諧波吸收電容。
功率驅(qū)動(dòng)回路空間內(nèi)設(shè)置功率驅(qū)動(dòng)模塊和驅(qū)動(dòng)回路線(xiàn)，功率驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)驅(qū) 動(dòng)回路線(xiàn)連接IGBT模塊。
輸出旁路空間內(nèi)設(shè)置旁路扼流電感和旁#觸器。
低壓智能屏蔽空間內(nèi)設(shè)置控制輸入保險(xiǎn)、溫度報(bào)警器、控制變壓器和智能控 制板。
在空間構(gòu)架方面，該交流單元采用立體功能模塊化空間架構(gòu)組合，電解電容可獨(dú)立拆卸，扼流緩沖采用獨(dú)創(chuàng)的扼流電感，多回路流量配比強(qiáng)制風(fēng)冷結(jié)構(gòu)，具 有強(qiáng)大的抗電磁干擾空間布置。在電氣配置方面，該交流單元具用完備的電氣保 護(hù)功能，能扼制加電流與旁路浪涌，控制電氣空間與功率電氣空間相互分離，從 而變流單元在惡劣的電源環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。因此本發(fā)明具有空間構(gòu)架合理、抗電 磁干擾能力強(qiáng)、散熱性能好、安全性能高的特點(diǎn)。


圖l為本發(fā)明的電路原理框圖； 圖2為本發(fā)明的電路圖； 圖3為本發(fā)明立體空間模塊組合爆炸圖； 圖4本發(fā)明框架多通路風(fēng)冷結(jié)構(gòu)圖； 圖5為本發(fā)明輸入扼流電感結(jié)構(gòu)圖； 圖6為本發(fā)明旁路扼流電感結(jié)構(gòu)圖； 圖7為本發(fā)明電解電容組結(jié)構(gòu)外形圖； 圖8為本發(fā)明整流回路結(jié)構(gòu)外形圖； 圖9為本發(fā)明逆變回路結(jié)構(gòu)外形圖； 圖IO為本發(fā)明功率回路結(jié)構(gòu)外形圖。 圖11為本發(fā)明控制回路結(jié)構(gòu)外形圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)描述
如圖1和圖3所示，該交流單元由以下模塊化空間組成高壓整流空間、高 壓平波儲(chǔ)流空間、高壓逆變空間、輸出旁路空間、低壓智能屏蔽空間和功率器件 驅(qū)動(dòng)回路空間，各空間設(shè)置在框架結(jié)構(gòu)內(nèi)，處于獨(dú)立的結(jié)構(gòu)空間內(nèi)。在空間組合 完成后，其逆變回路、功率回路、整流回路、控制回路均處于獨(dú)立的結(jié)構(gòu)空間內(nèi)， 通過(guò)空間的隔離，形成良好的整體電磁空間環(huán)境。高壓整流空間核心電壓等級(jí)為600V-660V交流電壓，高壓平波儲(chǔ)波空間的核心電壓等級(jí)為800V-1000V的直流電 壓，高壓逆變空間核心電壓等統(tǒng)級(jí)為0V-660V頻率可調(diào)的交流電壓，功率驅(qū)動(dòng)回 路空間的核心電壓是± 10V直流脈沖電壓，低壓智能屏蔽空間核心電壓是5V-15V 低壓直流電壓，輸出旁路空間核心電壓是220V交流電壓。
如圖2所示，變流單元輸入接660V交流電，分為兩路， 一路為主功率部分， 電流在100A以上，接入功率輸入保險(xiǎn)6，另一路為控制部分，電流在2A左右， 接入控制輸入保險(xiǎn)15,其接入可以接入同一路輸入，也可以根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能的要求 而分開(kāi)接線(xiàn)。控制輸入保險(xiǎn)15接控制變壓器13，控制電流經(jīng)隔離變壓器隔離后 分為多個(gè)獨(dú)立的不同電壓等級(jí)的控制電源智能控制板14,為整個(gè)變流系統(tǒng)提供控 制電。功率輸入保險(xiǎn)6在中間并聯(lián)壓敏電阻16后接入全橋整流模塊5 ，全橋整流 模塊5的輸出正極接入電解電容組3的正極，全橋整流模塊5的輸出負(fù)極接入輸 入扼流電感1,通過(guò)輸入扼流電感1后的全橋整流模塊5的輸出負(fù)極接入電解電 容組3的負(fù)極。電解電容組3并聯(lián)均壓功率電阻10,在每個(gè)半橋回路上，均并聯(lián) 諧波吸收電容8。從IGBT模塊4形成的H橋電路的輸出端并聯(lián)接入旁路扼流電感 2和旁員觸器12構(gòu)成的旁路系統(tǒng)，引入為變資4莫塊的輸出，其為頻率可調(diào)的正 弦波。功率驅(qū)動(dòng)才莫塊7發(fā)出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)安全地通過(guò)驅(qū)動(dòng)回路線(xiàn)9傳到IGBT模塊4 的驅(qū)動(dòng)端子上。溫度報(bào)警器11接入IGBT模塊4形成的H橋電路，電解電容組3、 旁路接觸器12均與智能控制板14的采集控制接口相聯(lián)連，使智能控制板14對(duì) 整個(gè)變流單元進(jìn)行檢測(cè)與控制，并通過(guò)光纖接口接收主控制器的信號(hào)，輸出相應(yīng) 的波形與相應(yīng)的邏輯狀態(tài)。
如圖4所示，主殼體21、屏蔽板22、板支架、彎形側(cè)板和直形側(cè)板、散熱 器20、電解電容組3以及風(fēng)道架形成多通道風(fēng)冷空間。散熱器20和彎形側(cè)板在 散熱器的肋片上形成了一個(gè)主散熱風(fēng)道結(jié)構(gòu)；由散熱器20的表面與屏蔽板22形 成了變流單元內(nèi)部小流量風(fēng)道，其通過(guò)在主殼體21后部的表面散熱流量限制過(guò)孔來(lái)配比其和主散熱風(fēng)道的風(fēng)流量對(duì)比參數(shù)。在其下方是電解電容組3,在主殼 體21的底部設(shè)計(jì)有電容散熱流量限制過(guò)孔，其均處于電解電容之間的空隙，從 而使均速的氣流均勻通過(guò)電解電容側(cè)面，對(duì)其進(jìn)行均勻散熱。
如圖5和圖6所示，輸入扼流電感1是實(shí)現(xiàn)在加電瞬間，外部電壓直接加入， 4電容電壓為零時(shí)，并會(huì)產(chǎn)生較大的浪涌電流，輸入扼流電感就是通過(guò)抑制在電 壓的dv/dt極大時(shí)的di/dt變化，實(shí)現(xiàn)在一個(gè)交流周波內(nèi)電容充電初始電流在全 橋整流模塊5的安全區(qū)內(nèi)。輸入扼流電感為專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，采用2快NP29的大型磁 環(huán)，安裝磁環(huán)配合的磁環(huán)座是用根據(jù)變流單元空間要求，開(kāi)發(fā)的立式磁環(huán)固定盒。 旁路扼流電感2用于變流單元旁路時(shí)扼制旁路沖擊電流，由于其沖擊電流小于變 流單元初次加電的浪涌電流，其采用1塊NP29磁環(huán)制成，并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的單磁環(huán) 固定盒。
如圖7所示，電解電容組3是由6個(gè)5600uF/450V的電解電容組成，其電氣 ^構(gòu)是三串兩并。整個(gè)電解電容組3是一個(gè)整體的架構(gòu)，由電解電容，下底板， 中板，下固定支柱，上固定支柱，串聯(lián)銅排，并聯(lián)銅排組成，分壓電阻結(jié)合而成。 從圖中特征是電解電容組3已經(jīng)是一個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，可以其輸出為兩側(cè)的專(zhuān)用接 頭，只要將接頭螺栓打開(kāi)，就可以在變流單元中方便地整體更換電解電容組3。
如圖8所示，輸入銅排的結(jié)構(gòu)是從功率輸入保險(xiǎn)6到全橋整流模塊5的電氣 連接，其結(jié)構(gòu)采用橫向直角轉(zhuǎn)換技術(shù)設(shè)計(jì)，使豎側(cè)平面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化橫側(cè)平面結(jié)構(gòu)， 由三個(gè)銅排構(gòu)成，分層角度絕緣空間排布形式，全橋整流模塊5的輸出正極為短 直角銅排結(jié)構(gòu)。
如圖9所示，兩個(gè)半橋結(jié)構(gòu)的IGBT組合成一個(gè)H橋的IGBT的逆變結(jié)構(gòu)，IGBT 模塊連接銅排用于IGBT的正負(fù)極端子的連接，其采用丁字轉(zhuǎn)折結(jié)構(gòu)，使在空間 位置上其盡量平行，且其圍起的空間面積最小，消除對(duì)周?chē)碾姶鸥蓴_。在 轉(zhuǎn)折下加有固定絕緣子，使雙丁字結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并消減開(kāi)關(guān)電流引起的銅帶振動(dòng)。如圖10所示，該圖變流單元立體空間模塊組合爆炸圖中的高壓整流空間、
高壓平波儲(chǔ)流空間、高壓逆變空間、輸出旁路空間在具體電路上的實(shí)現(xiàn)，表明了
輸入扼流電感1、旁#流電感2、電解電容組3、 IGBT模塊4、全橋整流模塊5、 壓敏電阻16、諧波吸收電容8、旁路接觸器12、輸入銅排、輸出銅排、電容組銅 排、IGBT模塊連接銅排、空間固定絕緣子、散熱器的具體安裝位置。
如圖11所示，該圖是低壓智能屏蔽空間、功率器件驅(qū)動(dòng)回路空間在具體電 路上的實(shí)現(xiàn)。智能控制板14是在IGBT模塊4的正上方，連于智能控制板接口的 電源輸入線(xiàn)、溫度采集線(xiàn)、電容狀態(tài)采集線(xiàn)、IGBT狀態(tài)采集線(xiàn)、電容組狀態(tài)采集 線(xiàn)，IGBT驅(qū)動(dòng)控線(xiàn)均是直連短線(xiàn)，從各元件引出直線(xiàn)接入智能控制板接口，其相 互獨(dú)立，互不相連與交叉，具有極強(qiáng)的電磁兼容效果。最獨(dú)創(chuàng)的設(shè)計(jì)是將IGBT 驅(qū)動(dòng)控制線(xiàn)是從IGBT驅(qū)動(dòng)端子上直接向上引出，在智能控制板上過(guò)相應(yīng)過(guò)孔直 接接入，達(dá)到了每一個(gè)IBGT的驅(qū)動(dòng)回路線(xiàn)均處于相對(duì)應(yīng)的功率器件驅(qū)動(dòng)回路空 間中，從而使在變流單元中最關(guān)鍵的IGBT驅(qū)動(dòng)回路處于一個(gè)安全，潔靜的電磁 環(huán)境下。
權(quán)利要求
1、一種具有模塊化空間結(jié)構(gòu)的高壓變頻器變流單元，其特征在于由設(shè)置在框架結(jié)構(gòu)內(nèi)且相互隔離的以下模塊化空間組成高壓整流空間、高壓平波儲(chǔ)流空間、高壓逆變空間、輸出旁路空間、低壓智能屏蔽空間和功率器件驅(qū)動(dòng)回路空間；交流電壓接入高壓整流空間，高壓整流空間將交流電壓轉(zhuǎn)化為脈動(dòng)直流電壓；從高壓整流空間出來(lái)的脈動(dòng)直流電壓接入高壓平波儲(chǔ)流空間，高壓平波儲(chǔ)流空間將脈動(dòng)直流電壓轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定直流電壓，同時(shí)扼制浪涌電流；從高壓平波儲(chǔ)流空間出來(lái)的穩(wěn)定直流電壓接入高壓逆變空間，高壓逆變空間將穩(wěn)定直流電壓轉(zhuǎn)化為頻率可調(diào)節(jié)的正弦交流電壓；高壓逆變空間同時(shí)連接功率器件驅(qū)動(dòng)回路空間和輸出旁路空間，功率器件驅(qū)動(dòng)回路空間輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)至高壓逆變空間，輸出旁路空間實(shí)現(xiàn)旁路功能；功率驅(qū)動(dòng)回路空間與低壓智能屏蔽空間相連，低壓智能屏蔽空間對(duì)變流單元各空間進(jìn)行監(jiān)控，運(yùn)行邏輯驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸入與輸出。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有模塊化空間結(jié)構(gòu)的高壓變頻器變流單元， 其特征在于所述框架結(jié)構(gòu)內(nèi)由主殼體(21)、屏蔽板(22)、板支架、彎形 側(cè)板和直形側(cè)板組成，它們與散熱器(20)、電解電容組(3)以及風(fēng)道架形 成多通道風(fēng)冷空間。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有模塊化空間結(jié)構(gòu)的高壓變頻器變流單元， 其特征在于高壓整流空間內(nèi)設(shè)置全橋整流模塊(5 )和功率輸入保險(xiǎn)(6 )。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有模塊化空間結(jié)構(gòu)的高壓變頻器變流單元， 其特征在于高壓平波儲(chǔ)流空間內(nèi)設(shè)置輸入扼流電感(1)、電解電容組(3)、 均壓功率電阻(10)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有模塊化空間結(jié)構(gòu)的高壓變頻器變流單元， 其特征在于高壓逆變空間內(nèi)設(shè)置IGBT模塊(4 )和諧波吸收電容(8 )。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有模塊化空間結(jié)構(gòu)的高壓變頻器變流單元，其特征在于功率驅(qū)動(dòng)回路空間內(nèi)設(shè)置功率驅(qū)動(dòng)模塊(7 )和驅(qū)動(dòng)回路線(xiàn)(9 ), 功率驅(qū)動(dòng)模塊(7 )通過(guò)驅(qū)動(dòng)回路線(xiàn)(9 )連接IGBT模塊(4 )。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有模塊化空間結(jié)構(gòu)的高壓變頻器變流單元， 其特征在于輸出旁路空間內(nèi)設(shè)置旁路扼流電感(2)和旁皿觸器(12)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有模塊化空間結(jié)構(gòu)的高壓變頻器變流單元， 其特征在于低壓智能屏蔽空間內(nèi)設(shè)置控制輸入保險(xiǎn)(15 )、溫度報(bào)警器(11 )、 控制變壓器(13 )和智能控制板(l4 )。
9、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有模塊化空間結(jié)構(gòu)的高壓變頻器變流單元， 其特征在于輸入扼流電感(1)采用NP29材質(zhì)的H型磁環(huán)二塊安裝于專(zhuān)用 的固定安裝盒內(nèi)構(gòu)成。
10、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有模塊化空間結(jié)構(gòu)的高壓變頻器變流單元， 其特征在于電解電容組(3)用6只450V的電解電容，以三串兩并的布局 排列形成一個(gè)穩(wěn)定的電容組結(jié)構(gòu)體。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種具有模塊化空間結(jié)構(gòu)的高壓變頻器變流單元，由設(shè)置在框架結(jié)構(gòu)內(nèi)且相互隔離的以下模塊化空間組成高壓整流空間、高壓平波儲(chǔ)流空間、高壓逆變空間、輸出旁路空間、低壓智能屏蔽空間和功率器件驅(qū)動(dòng)回路空間。該交流單元采用立體功能模塊化空間架構(gòu)組合，電解電容可獨(dú)立拆卸，扼流緩沖采用獨(dú)創(chuàng)的扼流電感，多回路流量配比強(qiáng)制風(fēng)冷結(jié)構(gòu)，強(qiáng)大的抗電磁干擾空間布置，具有空間構(gòu)架合理、抗電磁干擾能力強(qiáng)、散熱性能好、安全性能高的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02M5/00GK101447740SQ20081014020
公開(kāi)日2009年6月3日 申請(qǐng)日期2008年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月11日
發(fā)明者吳士洪, 姚繼濱, 凱 李, 郭兆靜 申請(qǐng)人:山東泰開(kāi)自動(dòng)化有限公司