CN103051208A - 一种隔爆变频电机一体机的变频功率模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种变频电机一体机的变频功率模块，包括：机架、IGBT元件、直流电容器、整流二极管、低感复合母排、交流叠层母排、驱动电路组件、控制电路组件、水冷散热器、放电电阻、进水高压软管和出水高压软管；将变频器机芯的核心部件即变频功率模块集成为一个水冷功率模块，功率密度高，可以整体拆卸，便于矿井下维修替换，不像现有技术那样，功率模块中的各个器件是分散式布置的当功率模块出现故障时，不便于检修和替换。该水冷散热器，能够直接应用地面引来的高压水进行水冷散热，不像现有技术那样在矿井里单独准备一套循环冷却水装置。降低了成本，也节约矿井下设备的面积和体积。本发明提供的功率模块采用集成模块式，便于维修和替换。

Description

一种隔爆变频电机一体机的变频功率模块

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种变频电机一体机的变频功率模块。

背景技术

目前，煤矿矿井下的机械设备的大功率电机一般采用变频调速，这样可以明显的提高机械设备对工况的适用性，从而提高生产率，节约大量电能。

但是，目前用于煤矿矿井下的变频器设备，由于环境因素，对散热技术有很多制约。一方面为了安全，煤矿矿井下变频器需要将电子元器件及电路设备全部密封在隔爆腔体内，另一方面变频器中的电力电子器件工作时有功率损耗，会产生大量的热量，因此需要将热量散发出去。因此，对于隔爆变频器中的散热技术需要进行改进。

目前，隔爆变频器一般采用较多的散热方式为热管散热。

热管散热器体积大，需配外部冷却风机，因此噪声大，散热效率不高。

隔爆变频电机一体机是将变频器直接安装在调速电机机壳上，使变频器和电机共用一个隔爆机壳。因此隔爆变频电机一体机对变频器机芯有更高的要求，需要变频器机芯体积小。这样功率密度大，一般采用水冷散热方式。

目前，矿用隔爆变频电机一体机技术方案较少，其变频功率模块的特点为：冷却方式为水冷，变频器额外配置一套独立的循环冷却水装置；隔爆腔内变频器机芯的各个器件分散布置在腔体内，水冷散热器紧贴在电机水冷机壳，使散热器流道与电机冷却流道相连。

但是，矿井下的冷却水一般来自地面，到达设备端的水压已经特别高，水质也不能保证特别好，所以对水冷功率模块有更高的要求。

但是，上述的变频器机芯的各个器件分散式布置在腔体内，不便于井下维修和替换。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种变频电机一体机的变频功率模块，能够

本发明实施例提供一种变频电机一体机的变频功率模块，包括：机架、IGBT元件、直流电容器、整流二极管、低感复合母排、交流叠层母排、驱动电路组件、控制电路组件、水冷散热器、放电电阻、进水高压软管和出水高压软管；

所述水冷散热器安装于机架前侧的支撑柱上；所述IGBT元件安装于所述水冷散热器的上表面；所述整流二极管和放电电阻安装于所述水冷散热器的下表面；

所述直流电容器安装于机架后侧；

所述低感复合母排覆盖安装在IGBT元件的上表面；

所述交流叠层母排覆盖安装在整流二极管的表面；

所述驱动电路组件安装在所述低感复合母排的上侧；

所述三相输入铜排和三相输出铜排安装于机架前侧；

所述控制电路组件安装于直流电容器的上表面；

所述进水高压软管和出水高压软管安装于散热器的进出水口接口。

优选地，所述水冷散热器包括散热器基板、直水流道、集水器；

所述集水器侧面开孔，与所述直水流道焊接为一体，所述集水器上侧焊接内螺纹进出水接口，形成密闭水流道；

所述直水流道通过焊接埋在散热器基板内。

优选地，所述散热器基板为铝基板；

所述直水流道为铜管直水流道；

所述集水器为铜质集水器。

优选地，所述散热器基板上安装有温度继电器，所述温度继电器用于在功率模块温度超过预定温度时，发送信号给控制器，控制器控制功率模块停机或使功率模块降额运行。

优选地，

所述低感复合母排的侧边通过U型折弯与直流电容器连接；

所述低感复合母排由正负铜排层和绝缘层叠压而成，所述绝缘层四周边缘压合密封。

优选地，所述低感复合母排在IGBT元件的适配板相应位置上开有过线孔，以使驱动电路组件的驱动线路通过所述过线孔连接到所述IGBT元件。

优选地，所述驱动电路组件的上侧安装有盖板。

优选地，还包括电流传感器，用于监测交流侧输出电流的大小；

所述电流传感器安装于所述水冷散热器的上表面的前侧，所述电流传感器上开有通孔，所述三相输出铜排穿过电流传感器的通孔与前端绝缘接线柱连接。

优选地，所述控制电路组件包括控制屏蔽铝盒、控制电路板、开关电源、驱动电源板和航空插头；

所述航空插头安装在控制屏蔽铝盒前侧面，所述航空插头用于对外的电信号连接接口；

所述控制屏蔽铝盒底面前侧开有过线孔，控制电路组件与驱动电路组件的线路通过所述过线孔连接。

优选地，所述进水高压软管和出水高压软管通过高压水管转接头与所述水冷散热器两侧的集水器进出水口连接，形成密闭的冷却流体通道。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本实施例提供的变频电机一体机的变频功率模块，将变频器机芯的核心部件即变频功率模块集成为一个水冷功率模块，功率密度高，可以整体拆卸，便于矿井下维修替换，不像现有技术那样，功率模块中的各个器件是分散式布置的当功率模块出现故障时，不便于检修和替换。本发明提供的水冷散热器，能够直接应用地面引来的高压水进行水冷散热，不需要像现有技术那样在矿井里单独准备一套循环冷却水装置。这样一方面降低了成本，同时也节约了矿井下设备的面积和体积。并且本发明提供的功率模块采用集成模块式，便于维修和替换。

附图说明

图1是本发明实施例提供的变频电机一体机的变频功率模块主视图；

图2是本发明实施例提供的变频电机一体机的变频功率模块侧视图；

图3是本发明实施例提供的变频电机一体机的变频功率模块后视图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本发明实施例提供一种变频电机一体机的变频功率模块，包括：机架、IGBT元件、直流电容器、整流二极管、低感复合母排、交流叠层母排、驱动电路组件、控制电路组件、水冷散热器、放电电阻、进水高压软管和出水高压软管；

所述水冷散热器安装于机架前侧的支撑柱上；所述IGBT元件安装于所述水冷散热器的上表面；所述整流二极管和放电电阻安装于所述水冷散热器的下表面；

所述直流电容器安装于机架后侧；

所述低感复合母排覆盖安装在IGBT元件的上表面；

所述交流叠层母排覆盖安装在整流二极管的表面；

所述驱动电路组件安装在所述低感复合母排的上侧；

所述三相输入铜排和三相输出铜排安装于机架前侧；

所述控制电路组件安装于直流电容器的上表面；

所述进水高压软管和出水高压软管安装于散热器的进出水口接口。

本实施例提供的变频电机一体机的变频功率模块，将变频器机芯的核心部件即变频功率模块集成为一个水冷功率模块，功率密度高，可以整体拆卸，便于矿井下维修替换，不像现有技术那样，功率模块中的各个器件是分散式布置的当功率模块出现故障时，不便于检修和替换。本发明提供的水冷散热器，能够直接应用地面引来的高压水进行水冷散热，不需要像现有技术那样在矿井里单独准备一套循环冷却水装置。这样一方面降低了成本，同时也节约了矿井下设备的面积和体积。并且本发明提供的功率模块采用集成模块式，便于维修和替换。

为了使本领域技术人员能够更好地理解和实施本发明的技术方案，下面结合附图详细介绍。

参见图1-图3，分别为本发明实施例提供的变频电机一体机的变频功率模块的主视图、侧视图和后视图。

1：机架；2：拉杆；3：电流传感器；4：航空插头；5：三相输出铜排；6：三相输入铜排；7：控制电路组件；8：驱动电路组件；9：IGBT元件；10：水冷散热器；11：整流二极管；12：放点电阻；13：交流叠层母排；14：低感复合母排；15：进水高压软管；16：直流电容器；17：出水高压软管；18：盖板；19：高压水管转接头。

本发明实施例提供的变频功率模块集成了IGBT元件9、直流电容器16、整流二极管11、低感复合母排14、交流叠层母排13、驱动电路组件8、控制电路组件7、水冷散热器10、放电电阻12、、进出水高压软管15和出水高压软管17，各部件安装在机架1上，形成一个长方体的功率模块。

其中，机架1相当于一个底座，机架1的前后安装有两个拉手2，便于变频功率模块的移动。

变频功率模块的正面上部设有航空插头4，用于变频功率模块对外的电信号的连接接口；

变频功率模块的正面中部有三相输出铜排5和三相输入铜排6，作为变频功率模块主电路的对外接口；

本实施例中，优选水冷散热器10安装于机架1的前侧四个支柱上，可以理解的是，所述支柱的数目也可以为其他个数，主要用于支撑水冷散热器。例如，六个或者八个等。

所述水冷散热器10包括散热器基板、直水流道、集水器；

所述集水器侧面开孔，与所述直水流道焊接为一体，所述集水器上侧焊接内螺纹进出水接口，形成密闭水流道；这样的密闭水流道可以承受很高的水压。

所述直水流道通过焊接埋在散热器基板内。

铝基板上下表面都可安装大功率电力电子器件，即IGBT元件，充分利用基板的散热位置，提高散热器的散热效率。

散热器基板上安装有温度继电器，所述温度继电器用于在功率模块温度超过预定温度时，发送信号给控制器，控制器控制功率模块停机或使功率模块降额运行。

所述低感复合母排14的侧边通过U型折弯与直流电容器16连接；

所述低感复合母排14由正负铜排层和绝缘层叠压而成，所述绝缘层四周边缘压合密封。

低感复合母排14覆盖安装在IGBT元件9上表面。

IGBT元件9安装于水冷散热器10的上表面，三个IGBT元件9均匀排列，构成一个三相逆变桥臂；

需要说明的是，上述的IGBT元件9为三个，是因为此处的IGBT元件9为双管，因此三个IGBT元件9就可形成三相逆变桥臂。可以理解的是，在其他实例中，IGBT元件9也可选择六个单管的IGBT元件来组成三相逆变桥臂。

整流二极管11安装于水冷散热器10的下表面，三个整流二极管11构成三相整流电路；

同理，上述的整流二极管11为三个，与IGBT元件9为三个的原理是相同的，此处的一个整流二极管11实质上可以展开为两个二极管，因此，可以理解的是，在其他实施例中，整流二极管可以选择六个单管的IGBT元件来组成三相整流电路。

需要说明的是，变频功率模块既包括整流电路又包括逆变电路。

放电电阻12安装于水冷散热器10的下表面，和整流二极管11同一表面，用作直流电容放电。

交流叠层母排13覆盖安装在整流二极管11表面，侧边通过L型折弯与直流电容器16连接；

驱动电路组件8紧贴安装在低感复合母排14上侧，由四个支撑柱支撑；

可以理解的是，此处的支撑柱数目也可以为其他数目。

低感复合母排14在IGBT元件9的适配板相应位置开有过线孔，这样可以使驱动电路组件8的驱动线路能以最短的距离连接到IGBT元件9，从而保证驱动信号的可靠性；

驱动电路组件8的上侧安装有盖板18，盖板18可以起到电磁屏蔽的作用；

电流传感器3安装于水冷散热器10上表面的前侧，电流传感器3上开有通孔。

三相输出铜排5穿过电流传感器3上的通孔与前端绝缘接线柱连接，电流传感器3用于监测交流侧输出电流的大小；

直流电容器16安装于机架1后侧，电气端子位于朝着水冷散热器10的侧面；

直流电容器16的电气端子与低感复合母排14的U型端及交流叠层母排13的L型端进行电连接；

直流电容器16用于为中间直流回路储能；

控制电路组件7安装于直流电容器16的上表面；

控制电路组件7包括控制屏蔽铝盒、控制电路板、开关电源、驱动电源板和航空插头4；

航空插头4安装在控制屏蔽铝盒前侧面，控制屏蔽铝盒底面前侧开有过线孔，便于控制电路组件7与驱动电路组件8之间的线路连接；

进水高压软管15和出水高压软管17通过高压水管转接头19与水冷散热器10两侧的集水器进出水口连接，从而形成密闭的冷却流体通道；冷却流体通道中的各部件采用特定高压器件，能够满足矿用井下高压冷却水的压力要求；各个部件的通道的通径在8mm以上，这样可以更好地满足流体流量及流体中含有少量杂质的要求。

本发明实施例中，将变频器机芯的核心部件集成为一个水冷功率模块，功率密度高，可整体拆卸，便于井下维修替换；通过改进水冷散热器，使其能直接使用由地面引下来的高压水来进行冷却，完全不需要独立的循环冷却水装置，可以大量节约成本及矿井下设备占用面积。

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、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种变频电机一体机的变频功率模块，其特征在于，包括：机架、IGBT元件、直流电容器、整流二极管、低感复合母排、交流叠层母排、驱动电路组件、控制电路组件、水冷散热器、放电电阻、进水高压软管和出水高压软管；

所述水冷散热器安装于机架前侧的支撑柱上；所述IGBT元件安装于所述水冷散热器的上表面；所述整流二极管和放电电阻安装于所述水冷散热器的下表面；

所述直流电容器安装于机架后侧；

所述低感复合母排覆盖安装在IGBT元件的上表面；

所述交流叠层母排覆盖安装在整流二极管的表面；

所述驱动电路组件安装在所述低感复合母排的上侧；

所述三相输入铜排和三相输出铜排安装于机架前侧；

所述控制电路组件安装于直流电容器的上表面；

所述进水高压软管和出水高压软管安装于散热器的进出水口接口。

2.根据权利要求1所述的变频电机一体机的变频功率模块，其特征在于，所述水冷散热器包括散热器基板、直水流道、集水器；

所述集水器侧面开孔，与所述直水流道焊接为一体，所述集水器上侧焊接内螺纹进出水接口，形成密闭水流道；

所述直水流道通过焊接埋在散热器基板内。

3.根据权利要求2所述的变频电机一体机的变频功率模块，其特征在于，所述散热器基板为铝基板；

所述直水流道为铜管直水流道；

所述集水器为铜质集水器。

4.根据权利要求2或3所述的变频电机一体机的变频功率模块，其特征在于，所述散热器基板上安装有温度继电器，所述温度继电器用于在功率模块温度超过预定温度时，发送信号给控制器，控制器控制功率模块停机或使功率模块降额运行。

5.根据权利要求1所述的变频电机一体机的变频功率模块，其特征在于，

所述低感复合母排的侧边通过U型折弯与直流电容器连接；

所述低感复合母排由正负铜排层和绝缘层叠压而成，所述绝缘层四周边缘压合密封。

6.根据权利要求1所述的变频电机一体机的变频功率模块，其特征在于，所述低感复合母排在IGBT元件的适配板相应位置上开有过线孔，以使驱动电路组件的驱动线路通过所述过线孔连接到所述IGBT元件。

7.根据权利要求1或6所述的变频电机一体机的变频功率模块，其特征在于，所述驱动电路组件的上侧安装有盖板。

8.根据权利要求1所述的变频电机一体机的变频功率模块，其特征在于，还包括电流传感器，用于监测交流侧输出电流的大小；

所述电流传感器安装于所述水冷散热器的上表面的前侧，所述电流传感器上开有通孔，所述三相输出铜排穿过电流传感器的通孔与前端绝缘接线柱连接。

9.根据权利要求1所述的变频电机一体机的变频功率模块，其特征在于，所述控制电路组件包括控制屏蔽铝盒、控制电路板、开关电源、驱动电源板和航空插头；

所述航空插头安装在控制屏蔽铝盒前侧面，所述航空插头用于对外的电信号连接接口；

所述控制屏蔽铝盒底面前侧开有过线孔，控制电路组件与驱动电路组件的线路通过所述过线孔连接。

10.根据权利要求2或3所述的变频电机一体机的变频功率模块，其特征在于，所述进水高压软管和出水高压软管通过高压水管转接头与所述水冷散热器两侧的集水器进出水口连接，形成密闭的冷却流体通道。

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