CN101447740A - 具有模块化空间结构的高压变频器变流单元 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有模块化空间结构的高压变频器变流单元，由设置在框架结构内且相互隔离的以下模块化空间组成：高压整流空间、高压平波储流空间、高压逆变空间、输出旁路空间、低压智能屏蔽空间和功率器件驱动回路空间。该交流单元采用立体功能模块化空间架构组合，电解电容可独立拆卸，扼流缓冲采用独创的扼流电感，多回路流量配比强制风冷结构，强大的抗电磁干扰空间布置，具有空间构架合理、抗电磁干扰能力强、散热性能好、安全性能高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种高压变频器变流单元，应用于多电平单元串联叠加型高压变频器中的功率换流系统中。
背景技术
在“十一五”十大重点节能工程之电机系统节能工程中，应用高压变频器对大功率高压电机进行调速运行而节能就是其中的重要一项。高压变频器技术随着功率器件性能的发展而成熟，其核心器件就是强制可开关器件，在此基础上的10KV电压等级的高压变频器中，成熟应用的就是多电平单元串联叠加型高压变频器，采用强性开关电力电子器件制作的独立的变流单元就是高压变频器的核心，每一个变流单元的稳定都决定着整套高压变频器的稳定。
多电平单元串联叠加型拓朴的变频器中的变流单元，是在叠加电平上进行频率变换运行的装置，其电源环境，散热环境均十分恶劣。要应用的电压等级越高，则在每个回路中串起的变流单元越多，其电磁环就越恶劣，对变流单元的性能要求就越高。由于其电源与工作环境，其控制地电平对外部随叠加电平的变化而整体变化，这时对变流单元内的智能控制统则要求一个相对洁静的电磁环境，即将主回路上高电压产生的磁块的环境与控制芯片电源的低压回路相互隔离，其相互隔离的效果将决定其电磁干扰的程度。对应于功率电力电子器件的散热，其散热结构的合理性，将决定其散热效果的好坏与功率器件的稳定运行。
发明内容
本发明的目的就是提供一种抗电磁干扰、高低压回路隔离、散热性能好的高压变频器变流单元，为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
该变流单元由设置在框架结构内且相互隔离的以下模块化空间组成：高压整流空间、高压平波储流空间、高压逆变空间、输出旁路空间、低压智能屏蔽空间和功率器件驱动回路空间；交流电压接入高压整流空间，高压整流空间将交流电压转化为脉动直流电压；从高压整流空间出来的脉动直流电压接入高压平波储流空间，高压平波储流空间将脉动直流电压转化为稳定直流电压，同时扼制浪涌电流；从高压平波储流空间出来的稳定直流电压接入高压逆变空间，高压逆变空间将稳定直流电压转化为频率可调节的正弦交流电压；高压逆变空间同时连接功率器件驱动回路空间和输出旁路空间，功率器件驱动回路空间输出驱动信号至高压逆变空间，输出旁路空间实现旁路功能；功率驱动回路空间与低压智能屏蔽空间相连，低压智能屏蔽空间对变流单元各空间进行监控，运行逻辑驱动，实现信号输入与输出。
框架结构内由主壳体、屏蔽板、板支架、弯形侧板和直形侧板组成，它们与散热器、电解电容组以及风道架形成多通道风冷空间。
高压整流空间内设置全桥整流模块和功率输入保险。
高压平波储流空间内设置输入扼流电感、电解电容组、均压功率电阻，其中输入扼流电感采用NP29材质的H型磁环二块安装于专用的固定安装盒内构成，电解电容组用6只450V的电解电容，以三串两并的布局排列形成一个稳定的电容组结构体。
高压逆变空间内设置IGBT模块和谐波吸收电容。
功率驱动回路空间内设置功率驱动模块和驱动回路线，功率驱动模块通过驱动回路线连接IGBT模块。
输出旁路空间内设置旁路扼流电感和旁路接触器。
低压智能屏蔽空间内设置控制输入保险、温度报警器、控制变压器和智能控制板。
在空间构架方面，该交流单元采用立体功能模块化空间架构组合，电解电容可独立拆卸，扼流缓冲采用独创的扼流电感，多回路流量配比强制风冷结构，具有强大的抗电磁干扰空间布置。在电气配置方面，该交流单元具用完备的电气保护功能，能扼制加电流与旁路浪涌，控制电气空间与功率电气空间相互分离，从而变流单元在恶劣的电源环境下稳定运行。因此本发明具有空间构架合理、抗电磁干扰能力强、散热性能好、安全性能高的特点。
附图说明
图1为本发明的电路原理框图；
图2为本发明的电路图；
图3为本发明立体空间模块组合爆炸图；
图4本发明框架多通路风冷结构图；
图5为本发明输入扼流电感结构图；
图6为本发明旁路扼流电感结构图；
图7为本发明电解电容组结构外形图；
图8为本发明整流回路结构外形图；
图9为本发明逆变回路结构外形图；
图10为本发明功率回路结构外形图。
图11为本发明控制回路结构外形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细描述：
如图1和图3所示，该交流单元由以下模块化空间组成：高压整流空间、高压平波储流空间、高压逆变空间、输出旁路空间、低压智能屏蔽空间和功率器件驱动回路空间，各空间设置在框架结构内，处于独立的结构空间内。在空间组合完成后，其逆变回路、功率回路、整流回路、控制回路均处于独立的结构空间内，通过空间的隔离，形成良好的整体电磁空间环境。高压整流空间核心电压等级为600V-660V交流电压，高压平波储波空间的核心电压等级为800V-1000V的直流电压，高压逆变空间核心电压等统级为0V-660V频率可调的交流电压，功率驱动回路空间的核心电压是±10V直流脉冲电压，低压智能屏蔽空间核心电压是5V-15V低压直流电压，输出旁路空间核心电压是220V交流电压。
如图2所示，变流单元输入接660V交流电，分为两路，一路为主功率部分，电流在100A以上，接入功率输入保险6，另一路为控制部分，电流在2A左右，接入控制输入保险15，其接入可以接入同一路输入，也可以根据实现功能的要求而分开接线。控制输入保险15接控制变压器13，控制电流经隔离变压器隔离后分为多个独立的不同电压等级的控制电源智能控制板14，为整个变流系统提供控制电。功率输入保险6在中间并联压敏电阻16后接入全桥整流模块5，全桥整流模块5的输出正极接入电解电容组3的正极，全桥整流模块5的输出负极接入输入扼流电感1，通过输入扼流电感1后的全桥整流模块5的输出负极接入电解电容组3的负极。电解电容组3并联均压功率电阻10，在每个半桥回路上，均并联谐波吸收电容8。从IGBT模块4形成的H桥电路的输出端并联接入旁路扼流电感2和旁路接触器12构成的旁路系统，引入为变流模块的输出，其为频率可调的正弦波。功率驱动模块7发出的驱动信号安全地通过驱动回路线9传到IGBT模块4的驱动端子上。温度报警器11接入IGBT模块4形成的H桥电路，电解电容组3、旁路接触器12均与智能控制板14的采集控制接口相联连，使智能控制板14对整个变流单元进行检测与控制，并通过光纤接口接收主控制器的信号，输出相应的波形与相应的逻辑状态。
如图4所示，主壳体21、屏蔽板22、板支架、弯形侧板和直形侧板、散热器20、电解电容组3以及风道架形成多通道风冷空间。散热器20和弯形侧板在散热器的肋片上形成了一个主散热风道结构；由散热器20的表面与屏蔽板22形成了变流单元内部小流量风道，其通过在主壳体21后部的表面散热流量限制过孔来配比其和主散热风道的风流量对比参数。在其下方是电解电容组3，在主壳体21的底部设计有电容散热流量限制过孔，其均处于电解电容之间的空隙，从而使均速的气流均匀通过电解电容侧面，对其进行均匀散热。
如图5和图6所示，输入扼流电感1是实现在加电瞬间，外部电压直接加入，而电容电压为零时，并会产生较大的浪涌电流，输入扼流电感就是通过抑制在电压的dv/dt极大时的di/dt变化，实现在一个交流周波内电容充电初始电流在全桥整流模块5的安全区内。输入扼流电感为专门设计，采用2快NP29的大型磁环，安装磁环配合的磁环座是用根据变流单元空间要求，开发的立式磁环固定盒。旁路扼流电感2用于变流单元旁路时扼制旁路冲击电流，由于其冲击电流小于变流单元初次加电的浪涌电流，其采用1块NP29磁环制成，并开发相应的单磁环固定盒。
如图7所示，电解电容组3是由6个5600uF/450V的电解电容组成，其电气结构是三串两并。整个电解电容组3是一个整体的架构，由电解电容，下底板，中板，下固定支柱，上固定支柱，串联铜排，并联铜排组成，分压电阻结合而成。从图中特征是电解电容组3已经是一个独立的结构，可以其输出为两侧的专用接头，只要将接头螺栓打开，就可以在变流单元中方便地整体更换电解电容组3。
如图8所示，输入铜排的结构是从功率输入保险6到全桥整流模块5的电气连接，其结构采用横向直角转换技术设计，使竖侧平面结构转化横侧平面结构，由三个铜排构成，分层角度绝缘空间排布形式，全桥整流模块5的输出正极为短直角铜排结构。
如图9所示，两个半桥结构的IGBT组合成一个H桥的IGBT的逆变结构，IGBT模块连接铜排用于IGBT的正负极端子的连接，其采用丁字转折结构，使在空间位置上其尽量平行，且其围起的空间面积最小，消除对周围元件的电磁干扰。在转折下加有固定绝缘子，使双丁字结构稳定，并消减开关电流引起的铜带振动。
如图10所示，该图变流单元立体空间模块组合爆炸图中的高压整流空间、高压平波储流空间、高压逆变空间、输出旁路空间在具体电路上的实现，表明了输入扼流电感1、旁路扼流电感2、电解电容组3、IGBT模块4、全桥整流模块5、压敏电阻16、谐波吸收电容8、旁路接触器12、输入铜排、输出铜排、电容组铜排、IGBT模块连接铜排、空间固定绝缘子、散热器的具体安装位置。
如图11所示，该图是低压智能屏蔽空间、功率器件驱动回路空间在具体电路上的实现。智能控制板14是在IGBT模块4的正上方，连于智能控制板接口的电源输入线、温度采集线、电容状态采集线、IGBT状态采集线、电容组状态采集线，IGBT驱动控线均是直连短线，从各元件引出直线接入智能控制板接口，其相互独立，互不相连与交叉，具有极强的电磁兼容效果。最独创的设计是将IGBT驱动控制线是从IGBT驱动端子上直接向上引出，在智能控制板上过相应过孔直接接入，达到了每一个IBGT的驱动回路线均处于相对应的功率器件驱动回路空间中，从而使在变流单元中最关键的IGBT驱动回路处于一个安全，洁静的电磁环境下。
Claims (10)
1、一种具有模块化空间结构的高压变频器变流单元，其特征在于由设置在框架结构内且相互隔离的以下模块化空间组成：高压整流空间、高压平波储流空间、高压逆变空间、输出旁路空间、低压智能屏蔽空间和功率器件驱动回路空间；交流电压接入高压整流空间，高压整流空间将交流电压转化为脉动直流电压；从高压整流空间出来的脉动直流电压接入高压平波储流空间，高压平波储流空间将脉动直流电压转化为稳定直流电压，同时扼制浪涌电流；从高压平波储流空间出来的稳定直流电压接入高压逆变空间，高压逆变空间将稳定直流电压转化为频率可调节的正弦交流电压；高压逆变空间同时连接功率器件驱动回路空间和输出旁路空间，功率器件驱动回路空间输出驱动信号至高压逆变空间，输出旁路空间实现旁路功能；功率驱动回路空间与低压智能屏蔽空间相连，低压智能屏蔽空间对变流单元各空间进行监控，运行逻辑驱动，实现信号输入与输出。
2、根据权利要求1所述的具有模块化空间结构的高压变频器变流单元，其特征在于：所述框架结构内由主壳体(21)、屏蔽板(22)、板支架、弯形侧板和直形侧板组成，它们与散热器(20)、电解电容组(3)以及风道架形成多通道风冷空间。
3、根据权利要求1所述的具有模块化空间结构的高压变频器变流单元，其特征在于：高压整流空间内设置全桥整流模块(5)和功率输入保险(6)。
4、根据权利要求1所述的具有模块化空间结构的高压变频器变流单元，其特征在于：高压平波储流空间内设置输入扼流电感(1)、电解电容组(3)、均压功率电阻(10)。
5、根据权利要求1所述的具有模块化空间结构的高压变频器变流单元，其特征在于：高压逆变空间内设置IGBT模块(4)和谐波吸收电容(8)。
6、根据权利要求1所述的具有模块化空间结构的高压变频器变流单元，其特征在于：功率驱动回路空间内设置功率驱动模块(7)和驱动回路线(9)，功率驱动模块(7)通过驱动回路线(9)连接IGBT模块(4)。
7、根据权利要求1所述的具有模块化空间结构的高压变频器变流单元，其特征在于：输出旁路空间内设置旁路扼流电感(2)和旁路接触器(12)。
8、根据权利要求1所述的具有模块化空间结构的高压变频器变流单元，其特征在于：低压智能屏蔽空间内设置控制输入保险(15)、温度报警器(11)、控制变压器(13)和智能控制板(14)。
9、根据权利要求4所述的具有模块化空间结构的高压变频器变流单元，其特征在于：输入扼流电感(1)采用NP29材质的H型磁环二块安装于专用的固定安装盒内构成。
10、根据权利要求4所述的具有模块化空间结构的高压变频器变流单元，其特征在于：电解电容组(3)用6只450V的电解电容，以三串两并的布局排列形成一个稳定的电容组结构体。
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| C06 | Publication | ||
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Open date: 20090603 |