CN102158057B - 一种模块化功率柜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化功率柜，包括：控制箱，辅助电路，电抗器，相模块，柜体，低感母排A，母排，低感母排B，支撑电容，出水管路，进水管路，柜体分为高压区和低压区，低、高压区之间由金属板隔离，高压区包括相模块、电抗器和支撑电容，相模块和电抗器自上而下分布于柜体内，低压区包括控制箱和辅助电路，低压区的控制箱和高压区相模块的功率器件通过光纤连接，辅助电路通过柜体布线实现各部分的连接，出水管和进水管组成的水冷却管路分布在柜体的上下两端。本发明实施方式描述的功率柜通用性强、集成度高，即可实现整流也可以实现逆变功能，同时功率和控制单元有效整合，解决了功率柜庞大而不利运输和安装的问题，接线调试更为方便可靠。

Description

一种模块化功率柜

技术领域

本发明涉及一种功率装置的柜体，尤其是涉及一种应用于中高压大功率电力电子成套装置的通用模块化功率柜。

背景技术

随着现代电力电子技术及计算机控制技术的迅速发展，交流调速逐步取代了直流调速，特别是近些年来，随着半导体器件技术的迅速发展，尤其是以绝缘栅双极晶体管（IGBT）、电子注入增强门极晶体管（IEGT）、门控晶闸管（GTO）、集成门极换向晶闸管（IGCT）为代表的大功率全控器件得到急速发展，由它们构成的中高压变流器系统，性能优异，可以实现PWM逆变和PWM整流，不仅具有谐波小，功率因数也有很大程度的提高。其中，IGCT和IGBT作为目前高效率、高可靠性的新型电力半导体器件，在现代中高压变频器系统中应用最多。

其中，IGCT集成门极换流晶闸管(Intergrated Gate Commutated Thyristors)和绝缘栅双极晶体管（IGBT）都是用于中高压大功率电力电子成套装置中的新型电力半导体器件。IGBT和IGCT等大功率开关器件的应用使变流装置在功率、可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积等方面都取得了巨大进展，给电力电子成套装置带来了新的飞跃，已经广泛的应用于中高压变流、变频功率装置。目前市场上出现的多数IGBT或IGCT中高压功率柜主要应用于中高压变频器，有效的实现了电机调速，在节能环保方面取得了非常显著的效果。

常用的变频器系统多数由若干个功率单元构成，一般分为控制单元、整流单元和逆变单元的三个基本单元。由于大功率开关器件的应用要求比较苛刻，在整个系统如何有效分配这个三个单元的组合上，出现了很多方案，大体分成了两大类，一类是整个系统集合成一个一体式结构的系统柜；另一类是完全拆分成三个小单元柜的单体式结构。但这两种结构明显存在着多种弊端。

单体式结构柜仅包含功率模块及与之关联的主电路连线，这种结构虽然能将功率柜做到最小尺寸，但是在实际应用中不仅装配麻烦，而且因为控制部分与功率柜分开，在应用中需要在现场对所有控制线缆和光纤进行连接，大量的线缆连接不仅费时费力，极大降低了现场安装调试效率，而且接线一旦错误，往往会损坏变流器关键部件，甚至导致整机故障，给安装调试带来麻烦；同时若将大量信号电缆分为两部分连接，也会大大降低控制线缆的抗电磁干扰能力，以至在极端情况下干扰信号会造成系统误报故障而导致停机。

一体式结构的功率柜是将整流、逆变和控制三部分集成在一个柜体之内，由于采用了不可拆卸的整体结构方案，体积和重量都非常庞大，运输、吊装和安装都非常困难，同时这种结构的功率柜仅能实现单个电机的单传动应用，无法满足目前工业领域中常用的多传动、冗余传动及双重化传动等应用需求。因此，如何实现整个功率系统的有效组合分配，方便整个系统的运输、安装和检修成了目前功率柜应用的首要难题，对此国内外均没有很好的解决方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种模块化功率柜，该装置实现了功率单元和控制单元的有效整合，既解决了一体式结构的功率柜系统庞大而不利运输和安装的问题，又使得接线及调试更为方便和可靠。

本发明具体提供了一种模块化功率柜的具体实施方式，一种模块化功率柜，包括：控制箱，辅助电路，电抗器，相模块，柜体，低感母排A，母排，低感母排B，支撑电容，出水管路，进水管路，柜体划分为高压区和低压区，低压区和高压区之间有金属板进行隔离，高压区包括相模块、电抗器和支撑电容，相模块和电抗器自上而下分布于柜体内，低压区包括控制箱和辅助电路，控制箱和辅助电路通过柜体布线与包括相模块在内的高压区的弱电部分相连，低压区的控制箱和高压区相模块的功率器件通过电缆或光纤连接，由出水管路和进水管路组成的水冷却管路分布在柜体的上下两端。功率单元和控制单元的有效整合，解决了功率柜庞大而不利运输和安装的问题，通用性更强，集成度更高。

作为本发明一种模块化功率柜进一步的实施方式，电抗器，相模块和支撑电容通过低感母排实现电路连接，低感母排之间采用母排或电缆连接。

作为本发明一种模块化功率柜进一步的实施方式，电抗器和相模块通过低感母排A和母线连接在一起，自上至下分三层均布在柜体中，通过抽屉式推拉结构组装在柜体中；支撑电容分布在控制箱的后部，分三层均布在柜体中，通过抽屉式推拉结构组装在柜体中，支撑电容和相模块通过低感母排B连接在一起；电抗器，支撑电容和相模块后通过连接母排连接在一起，实现整个电路的连接。

作为本发明一种模块化功率柜进一步的实施方式，相模块为IGCT或IGBT相模块。

作为本发明一种模块化功率柜进一步的实施方式，控制箱，辅助电路分布在支撑电容的前方。

作为本发明一种模块化功率柜进一步的实施方式，相模块包括三个模块，三个模块自上而下平行分布在柜体中，构成模块化功率柜主电路的三相，相模块采用推拉式插入结构，相模块采用水冷散热结构，相模块的冷却管路和由出水管路和进水管路组成的水冷却管路采用快速接头连接。

作为本发明一种模块化功率柜进一步的实施方式，由出水管路和进水管路组成的水冷却管路分布在柜体前方的上下两端，将水冷却管路与包括相模块，电抗器在内的功率器件串联在一起。

作为本发明一种模块化功率柜进一步的实施方式，模块化功率柜带有辅助散热系统，辅助散热系统采用风机强迫风冷，在柜体的顶部安装辅助散热风机，通过柜体门上的滤网窗，构成一个通风回路，实现柜体和外部空气的换流散热。

作为本发明一种模块化功率柜进一步的实施方式，模块化功率柜的底部有定位安装孔，底部的定位安装孔将一个以上的模块化功率柜通过底部支架进行定位，模块化功率柜左右两侧的四个顶角有定位安装孔，四角的安装定位孔通过螺栓紧固的方式实现一个以上的模块化功率柜并柜连接。

本发明具体实施方式所描述的模块化功率柜既可以用于实现整流功能，也可以用于实现逆变功能。

通过实施本发明一种模块化功率柜的具体实施方式，通过将控制电路、辅助电路和主电路集成到一个柜体内，因此功率柜的集成度很高，通用性很强，可以实现不同功率等级的系统要求。同时在调试和检修过程中可以减少接线，并且很容易可以实现故障隔离和排除，有效的实现了电磁屏蔽，保证了系统运行的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种模块化功率柜的主电路结构图；

图2是本发明模块化功率柜一种具体实施方式的结构主示意图；

图3是本发明模块化功率柜一种具体实施方式的结构后视图；

图4是本发明模块化功率柜一种具体实施方式的结构俯视图；

其中：1-控制箱，2-辅助电路，31、32、33-电抗器，41、42、43-相模块，5-柜体，6-低感母排A，7-连接母排，8-低感母排B，91、92、93-支撑电容，10-出水管路，11-进水管路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

作为本发明一种模块化功率柜的具体实施方式，以基于IGCT的通用模块化功率柜为例进行介绍，如图1模块化功率柜的主电路结构图所示，主电路包括三相，其中每一相包括相模块12、电抗器和支撑电容14。其中，电抗器包括电抗器130和电抗器131。

如图2、图3、图4所示的模块化功率柜包括：控制箱1，辅助电路2，电抗器，相模块，柜体5，低感母排A 6，母排7，低感母排B 8，支撑电容，出水管路10，进水管路11。作为一种典型的实施方式，相模块为IGCT相模块，当然相模块也可以是IGBT等功率器件。相模块包括三个模块：相模块41、相模块42和相模块43，三个相模块自上而下平行分布在柜体5中，构成模块化功率柜主电路的三相。

柜体5分为两个区域，高压区和低压区。高压区包括IGCT相模块、电抗器和支撑电容，IGCT相模块和电抗器自上而下均布于柜体内。如图2,3和4所示，每一相均包括一个IGCT相模块，两个电抗器，共三相自上而下均布于柜体内。在一种典型实施方式中，支撑电容也是分三层自上而下均布于柜体内的。通过推拉的抽屉式结构组装IGCT相模块和支撑电容，通过低感母排进行连接。低压区由控制箱1和辅助电路2组成，低压区控制箱1和高压区的IGCT功率器件通过光纤连接。并且在低压区和高压区之间有金属板隔离，即低压区是一个独立的容器。水冷却管路分布在柜体5前方的上下端，将IGCT相模块、电抗器等需要散热的功率器件连接。主电路部分的IGCT功率器件采用水冷散热，柜体顶部装有风机，用于柜体5内部的辅助散热。功率柜两侧的四角有连接螺栓孔，底部有定位安装孔。功率柜两侧的四角分别装有安装螺栓孔，底部有定位安装孔，方便多个功率柜通过底部支架定位，两侧四角螺栓紧固的方式实现并柜连接。

本发明具体实施方式将包括控制箱1在内的控制单元和包括相模块在内的功率单元整合成一个系统单元。其中，柜体5采用焊接或者型材构成，分成两大部分。柜体5的左前方是控制单元部分，后方是支撑电容，右侧分为由上至下的三个框架层结构，分别装配有IGCT相模块，在IGCT相模块和支撑电容的组装方式上采用抽屉式的推拉结构，可以很方便的实现模块和电容的拆装以及检修。主电路接线通过其后方的低感母排实现，整体布局实现了控制和功率部分的有效隔离，而且三个IGCT相模块位置独立，给检修带来了很大的方便。IGCT相模块的结构做成推拉式的抽屉结构，方便整个柜体的安装，支撑电容的安装方式也采用推拉式的插入方式，均布在控制箱1的后面。相模块和支撑电容通过低感母排实现电路连接，控制箱1通过光纤完成对整个主电路IGCT功率器件的接线，并预留通讯接口。控制箱1和辅助电路2部分用金属板同主电路部分隔开，形成密闭的容器，控制电路和主电路部分采用光纤连接，有效提高了柜体抗电磁干扰能力。整体水冷系统通过位于柜体正面上、下端进出水管路和需要水冷散热的器件串联连接，在柜体5的两侧留有进出水管的接头。

三个IGCT相模块自上而下平行分布在柜体中，构成主电路的三相，IGCT相模块的散热方式采取水冷散热方式。IGCT相模块和电抗器以及支撑电容通过低感母排连接，低感母排之间的连接方式可以选择母排或电缆连接。其中，电抗器和IGCT相模块，通过低感母排A 6和母线连接到一起，自上至下分三层均布在柜体5中，通过抽屉式的推拉结构组装，而支撑电容分布在控制部分后面也是分为三层，也通过抽屉式的推拉结构组装，均布于柜体5中，通过低感母排B 8连接到一起，然后通过连接母排7连接到一起，实现整个电路的连接。IGCT相模块和支撑电容之间，采用低感母排连接，降低了整个回路的寄生电感，提高了功率柜的输出能力。

模块化功率柜的电路部分主要包括主电路，为主电路提供控制信号的控制电路和辅助电路。其中，控制电路、辅助电路和主电路分布在支撑电容的前方，控制电路和主电路部分通过电缆或光纤连接。IGCT相模块和支撑电容的组装方式采用抽屉式的推拉方式实现。IGCT相模块冷却管路和进出水管路的连接采用快速接头连接。功率柜主电路部分功率器件主散热采用水冷散热方式。功率柜带有辅助散热系统，且采用风机强迫风冷。水冷部分通过出水管路10和进水回路11分布在柜体前方的上下两端，把整个水冷部分串接到了一起。其中控制箱1和辅助电路2通过柜体布线和主电路部分相连，为了满足柜体中主电路部分和控制部分的通风和散热，在柜体5顶部装有辅助散热风机，通过柜体门上的滤网窗，构成一个通风回路，实现柜体5和外部空气的换流散热。模块化功率柜整柜的散热方式采用水冷散热，IGCT相模块和进、出水管路之间采用快速接头连接，方便IGCT相模块拆卸和检修。

本发明具体实施方式所描述的技术方案将控制电路、辅助电路和主电路集成到一个柜体内，功率柜的集成度很高，体积重量适中，便于运输，可以用于四象限脉冲整流或逆变，功率柜的通用性很强。由于功率柜的设计留有并柜接口和安装定位孔及连接螺栓孔，所以可以多柜并联，实现不同功率等级的系统要求。同时，主电路部分采用低感母排连接，有效的减小了整个回路寄生电感。整体布局集成了主电路部分、控制电路和辅助电路三部分。同时，控制接口、主电路接口和冷却接口简单，便于安装。在调试和检修过程中可以减少接线，并且很容易可以实现故障隔离和排除。整个柜体中的主电路部分和控制电路以及辅助电路部分采用金属板隔离，有效的实现了电磁屏蔽，保证了系统运行的稳定性。根据需要可以进行单柜应用或者多个柜体的拼接应用，容易实现异步电机或同步电机的单传动、多传动、冗余传动及双重化传动。需要说明的是，本发明模块化功率柜虽然以IGCT相模块为例进行了描述，但是本发明也可以应用于以IGBT、IEGT、GTO等功率器件相模块构成的模块化功率柜。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种模块化功率柜，其特征在于，包括：控制箱（1）、辅助电路（2）、电抗器、相模块、柜体（5）、低感母排A（6）、母排（7）、低感母排B（8）、支撑电容、出水管路（10）和进水管路（11），柜体（5）划分为高压区和低压区，低压区和高压区之间有金属板进行隔离，高压区包括相模块、电抗器和支撑电容，相模块和电抗器自上而下分布于柜体（5）内，低压区包括控制箱（1）和辅助电路（2），控制箱（1）和辅助电路（2）通过柜体布线与包括相模块在内的高压区的弱电部分相连，低压区的控制箱（1）和高压区相模块的功率器件通过电缆或光纤连接，由出水管路（10）和进水管路（11）组成的水冷却管路分布在柜体（5）的上下两端；所述电抗器、相模块和支撑电容通过低感母排实现电路连接，低感母排之间采用母排或电缆连接；所述电抗器和相模块通过低感母排A（6）和母线连接在一起，自上至下分三层均布在柜体（5）中，通过抽屉式推拉结构组装在柜体（5）中；所述支撑电容分布在控制箱（1）的后部，分三层均布在柜体（5）中，通过抽屉式推拉结构组装在柜体（5）中，支撑电容通过低感母排B（8）连接，相模块通过低感母排A（6）连接，低感母排A（6）和低感母排B（8）通过连接母排（7）连接在一起；电抗器、支撑电容和相模块最后通过连接母排（7）连接在一起，实现整个电路的连接。

2.根据权利要求1所述的一种模块化功率柜，其特征在于：所述相模块为IGCT或IGBT相模块。

3.根据权利要求1或2所述的一种模块化功率柜，其特征在于：所述控制箱（1）、辅助电路（2）分布在支撑电容的前方。

4.根据权利要求1或2所述的一种模块化功率柜，其特征在于：所述相模块包括三个模块，三个模块自上而下平行分布在柜体中，构成模块化功率柜主电路的三相，相模块采用推拉式插入结构，相模块采用水冷散热结构，相模块的冷却管路和由出水管路（10）和进水管路（11）组成的水冷却管路采用快速接头连接。

5.根据权利要求4所述的一种模块化功率柜，其特征在于：所述由出水管路（10）和进水管路（11）组成的水冷却管路分布在柜体（5）前方的上下两端，将水冷却管路与包括相模块，电抗器在内的功率器件的冷却管路串联或并联在一起。

6.根据权利要求5所述的一种模块化功率柜，其特征在于：所述模块化功率柜带有辅助散热系统，辅助散热系统采用风机强迫风冷，在柜体（5）的顶部安装辅助散热风机，通过柜体（5）门上的滤网窗，构成一个通风回路，实现柜体（5）和外部空气的换流散热。

7.根据权利要求6所述的一种模块化功率柜，其特征在于：所述模块化功率柜的底部有定位安装孔，底部的定位安装孔将一个以上的模块化功率柜通过底部支架进行定位，模块化功率柜左右两侧的四个顶角有定位安装孔，四角的安装定位孔通过螺栓紧固的方式实现一个以上的模块化功率柜并柜连接。

8.根据权利要求1、2、5、6、7中任一权利要求所述的一种模块化功率柜，其特征在于：所述的模块化功率柜用于实现整流功能或实现逆变功能。

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