CN107624216A - 用于振荡抑制的安排 - Google Patents

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Abstract

一种电力电子设备，如频率转换器，所述电力电子设备包括电力单元(REC1，INU1，INU2，CCDC1)、金属框架(31)以及所述电力单元连接于其中的DC总线安排。所述电力单元可以组装在所述金属框架(31)内，其中，所述金属框架的形状以矩形横截面形状延长，所述矩形横截面形状由底部部分(33)和从所述底部部分起基本上垂直定向的侧壁部分(32)组成。所述DC总线安排被安排在所述金属框架(31)的所述底部部分(33)的顶部，并且通过绝缘层(S1)与所述金属框架(31)分离。所述DC总线安排包括彼此间隔安排的第一DC总线电流导体(DC+)和第二DC总线电流导体(DC‑)。所述DC总线电流导体(DC+，DC‑)具有平坦形状，其方式为使得它们的厚度尺寸基本上比它们的宽度尺寸更短。

Description

用于振荡抑制的安排
技术领域
本发明的目标是电力电子设备的结构安排，更具体地是频率转换器的结构安排。更具体地，本发明的目标是液体冷却频率转换器的结构安排，其中，许多逆变器单元和电容器滤波器单元连接至同一直流中间电路。
背景技术
电力电子设备(如频率转换器)的总体发展趋势是增大功率密度。本领域中已知的是，处理小型设备中的高功率需要有效地对处理功率的部件进行冷却，这在液体冷却方面取得最佳成功，即，通过经由在设备中循环的液体将部件中产生的耗散功率转移出设备。
出于成本的原因，液体冷却通常仅用于高功率设备，例如，在超过100kW的频率转换器中。由于单个电力半导体部件的有限性能，在高功率时它们必须并行连接，以同一设备中并行存在许多部件的方式或者通过并行连接整个设备来供应同一负载。同一设备中对部件的并行连接是有问题的，具体是因为每个不同供电的设备可能需要其自己的机械构造。出于这个原因，通常使用对整个设备的并行连接，这尤其从制造和维修的视角看是更有利的。
电力电子设备可以包括若干互连的机械单元，所述机械单元可以具有不同的功能和/或它们可以并行地连接。例如，本发明中所描述的频率转换器由连接至同一直流电路(在本文档中称为DC总线)的至少一个电容滤波器单元和至少一个逆变器单元组成。用于对DC总线电压波形进行平滑所需的电容集中于(多个)滤波器单元中，但是在(多个)逆变器单元内还仍然需要连接至同一DC总线的小局部电容，以便在切换情况下限制电压峰值并且还降低发射的高频干扰电平。
DC总线安排中的常规做法是追求最小电阻率(以便最小化功率损耗)以及最小电容率(以便达到良好的滤波功能)。众所周知的是，由于通常存在于电导体中的电感，间隔定位的若干互连的电容形成谐振LC电路。在这些情况下的问题可能是引起额外功率损耗并且使电路中的部件变热的高谐振电流。此问题特别难的地方在于，谐振频率是否与逆变器单元的开关频率相同或是其倍数。
发明内容
本发明的目的是当属于同一装置的许多电力单元已经经由公共DC总线互连时实现紧凑型液体冷却电力电子设备(更具体地频率变换器)的构造的新型安排。可以使用所述安排来避免上述缺点，并且所述安排适合于在电力单元并行连接时并且还在其用于不同功能时使用。使用所述安排实现本发明的目的，所述安排由独立权利要求1的特征部分中所声明的内容来表征。本发明的其他优选实施例是从属权利要求的目标。
本发明的特征原则是：形成DC总线的电流导通元件(如母线)彼此间隔安排，并且仅通过薄绝缘层与金属表面(有利地与外壳的框架)分离。
在本发明的解决方案中，DC总线被安排为使得DC总线中的高频电流感应金属框架中的涡流。涡流的方向与DC总线电流相反，这种现象在外部呈现为DC总线的低串行电容率。
涡流的另一种是，其引起框架金属中的功率损耗，这种现象在外部呈现为DC总线的额外串行电阻。如众所周知的，感应电流的穿透深度越短，电流的频率越高。由于这种现象，电流遇到的阻力越大，电流分量的频率越高。由涡流感应的电阻率的有用效果是抑制DC总线电流中的可能谐振振荡。谐振可以易于由逆变器电力半导体开关的快速切换现象引发。
根据本发明，使用构造性安排、利用所感应到的涡流现象(所述涡流现象根据现有技术设计原则通常被认为是有害的并且因此尝试避免)来抑制DC总线中的振荡。所述安排允许非常紧凑且低成本的设计，而不需要任何外部抑制部件。
附图说明
在下文中，将通过参照附图、借助于本发明实施例的一些示例来更详细地描述本发明，在附图中：
图1呈现了频率转换器驱动器的主电路，
图2呈现了频率转换器驱动器的主电路，
图3呈现了现有技术DC母线组件的结构，
图4呈现了根据本发明的频率转换器的结构，
图5呈现了根据本发明的频率转换器结构的横截面视图，
图6呈现了频率转换器的DC电路的等效电路，
图7呈现了根据本发明的DC总线安排，并且
图8展示了频率转换器的DC总线中连接的电容器的电流。
具体实施方式
图1呈现了正态三相PWM频率转换器的主电路的实施例，其中，三相网桥REC1包括将三相电源电压L1、L2、L3整流成中间电路的DC电压的二极管，所述DC电压具有极DC+、DC-并且使用充当能量存储装置的滤波电容器CDC1对所述DC电压进行滤波。由电力半导体部件V1至V6、D1至D6组成的三相逆变器桥INU1从中间电路的DC电压中形成用于控制电机M1的三相输出电压U、V、W。输出电压波形由矩形脉冲组成，所述矩形脉冲由所谓的相位开关(例如，U相位中的V1、D1和V4、D4)形成，所述相位开关能够将输出相位端子连接至DC总线的正极或负极。输出电压的脉冲频率被称为开关频率。在现代频率转换器中，快速电力半导体部件V1...V6最通常为IGBT晶体管。为了衰减通过操作逆变器所产生的开关现象，逆变器单元通常还包括物理地布置在电力部件附近的电容器C1，所述电容器通常在其电容值方面显著小于能量存储装置CDC1。控制单元CU1控制对设备的操作。电感部件通常连接至用于对网络电流的由频率转换器(未画出)所采用的谐波进行滤波的网桥REC1的任一侧。
图2呈现了高功率频率转换器实现方式的单线图，其中，电力水平需要多个设备的并行连接。在高功率时，转换器的不同功能部分通常在其自己的机械单元中构造(例如，像图中那样，其中，充当能量存储装置的电容滤波器单元CDC2对若干逆变器单元NU21、INU22而言是公共的)，所述逆变器单元的输出相位连接在一起用于提供共同负载机电M2。在这种系统中(其中，电力模块可以位于远离彼此的位置处)，DC电路的正确滤波功能需要具有单元之间的非常低的杂散电感的DC总线。
图3呈现了通常用于高功率频率转换器中的现有技术DC总线的机械结构的示例(未画出机械支撑结构)。在现有技术安排中，电流导体DC+、DC-是平坦母线，组装在彼此的顶部并且通过薄绝缘体层S彼此分离。这种类型的构造的自电感非常低，并且由于良好的导电材料(例如，铜)，其电阻以及因此功率损耗也较低。通常，母线组件与接地部分分离，例如，与外壳的金属壁W间隔根据适当安全标准被调整尺寸为几毫米的空隙δ。
图4呈现了电力模块可以如何组装在液体冷却框架31内的示例的透视图，包括延长的矩形轮廓，所述轮廓可以是例如铝，具有底部部分33、从所述底部部分起基本上垂直定向的侧壁部分32以及液体冷却通道34。所述框架包括电力模块的多个安装位置，所述电力模块可以由液体经由液体通道中的开口35(在图中，空位置PM和电力模块INU1、INU2和CDC1)冷却。根据本发明的一个实施例，从端到端延伸底盘31并且在每个电力模块位置处包括连接部分36的DC母线DC+、DC-安排在底部部分33的顶部。根据本发明的一个实施例，DC母线的形状平坦，这意味着其厚度尺寸基本上比其宽度尺寸更短，如从底部部分33方向上看到的。图5呈现了图4中呈现的安排的实施例的横截面侧视图，特别突出了中间电路DC母线DC+、DC-如何仅通过薄绝缘体层S1与框架底部部分33分离。绝缘体层S1的形状有利地为贯穿框架31针对两个DC母线的一个公共片，或者针对每个母线DC+、DC-的单独片。绝缘体层的厚度有利地是绝缘材料所允许的最小值，以便满足足够的机械强度和适当绝缘的要求。根据本发明的一个实施例，绝缘层的厚度小于1mm。
图6呈现了根据先前示例的DC总线安排的等效单线电路。在图中，UL，描绘了供应电源电压，LL描绘了电源滤波电感并且DREC描绘了整流桥中的二极管。LDC1......LDC3代表分别在电力模块与逆变器单元INU1、INU2的内部电容C11、C21之间的DC电流导体(如母线)的串行电感。CDC代表DC总线中的实际电容滤波器单元CDC1的电容。在所述安排中，电力模块之间的距离相等，这意味着电感LDC1......LDC3也相等。
图7呈现了根据本发明的一个实施例的DC总线安排的更详细横截面视图。在图7的实施例中，DC总线电流导体DC+、DC-是母线，所述母线并排位于框架底部部分33上，仅通过薄绝缘体层S1与其分离。在本发明的一个实施例中，如在图7的实施例中，一个绝缘层或片可以安排在两个电流导体DC+、DC-之下。在本发明的另一个实施例中，单独绝缘层或片元件可以用于将电流导体DC+、DC-与金属框架绝缘。在这种情况下，可能的是将一个绝缘层或片安排在DC+电流导体之下，并且将另一个绝缘层或片安排在DC-电流导体之下。根据电气工程的基本规则，电流的频率越高，其到导体的穿透深度越短。IHFB描绘了DC-导体中的高频电流的示例性穿透，并且IHFW描绘了涡流到框架底部33的相应穿透，所述穿透由DC-电流导体中的高频电流引起。如众所周知的，涡流引起电力损耗，这种现象与实际电流导体中的串行电阻的效果相对应。因为以上提及的穿透深度规则，所以串行电阻越高，频率越高。下表中展现了这种现象，所述表给出了根据图7的安排中的示例性平面电流导体(列新(new))以及图3中描绘的现有技术安排中的相同导体(列旧(old))的电阻率以作为频率f的函数。当电流导体材料是铜并且框架材料是铝时，达到列新中的电阻率。在根据本发明的安排中，可能通过框架材料选择影响电阻率，不像仅电流导体材料是决定性的现有技术安排。
图8展示了根据本发明的示例性DC总线安排中(曲线YN)以及通过使用如图3中呈现的现有技术DC总线安排(曲线YO)的电流放大率Y上作为频率函数的DC总线电阻率变化的效果。电流放大率由公式1计算：
Y＝IDC/INU [1]
其中，IDC指逆变器单元的内部DC总线电容器的电流，并且INU指逆变器单元INU提供给DC总线的电流。由于电流放大Y的比例是对数的，因此，高于0的所有值指有害的电流放大，即，从电容器寿命视点来看。由于电流导体的杂散电感、INU模块内部电容以及主滤波电容，在约0,8kHz处的第一放大峰值是提供电源电路的效果，并且在约30kHz处的第二峰值是DC总线电路内的谐振的效果。如可以从图8中看到的，由于由根据本发明的安排中的涡流引起的电阻效应，特别是对电容器最有害的这种放大峰值强烈地降低。当谐振频率已知时，有利的是，将所述逆变器单元的所述开关频率设置为所述开关频率或其倍数不满足所述DC总线安排的谐振频率峰值的值。
尽管已经参照先前实施例描述了本发明，但是应当认识到，本发明不限于此实施例，而是在不脱离如所附权利要求书中限定的本发明的范围的情况下，许多修改和变化对本领域技术人员而言将变得明显。

Claims (8)

1.一种电力电子设备，如频率转换器，所述电力电子设备包括电力单元(REC1，INU1，INU2，CDC1)、金属框架(31)以及所述电力单元连接于其中的DC总线安排，
其中，所述电力单元可以组装在所述金属框架(31)内，并且
其中，所述金属框架的形状以矩形横截面形状延长，所述矩形横截面形状由底部部分(33)和从所述底部部分起基本上垂直定向的侧壁部分(32)组成，
所述电力电子设备的特征在于：
所述DC总线安排被安排在所述金属框架(31)的所述底部部分(33)的顶部，并且通过绝缘层(S1)与所述金属框架(31)分离，并且
所述DC总线安排包括彼此间隔安排的第一DC总线电流导体(DC+)和第二DC总线电流导体(DC-)，
其中，所述DC总线电流导体(DC+，DC-)具有平坦形状，其方式为使得它们的厚度尺寸基本上比它们的宽度尺寸更短。
2.根据权利要求1所述的电力电子设备，
其特征在于：所述绝缘层(S1)被安排为使得贯穿所述框架(31)将一个公共绝缘体片安排在DC总线电流导体(DC+，DC-)两者之下，或者将单独绝缘体片安排在每个DC总线电流导体(DC+，DC-)之下。
3.根据权利要求1或2所述的电力电子设备，
其特征在于：所述绝缘层的厚度是满足足够的机械强度和适当绝缘的要求所需要的最小值。
4.根据任何前述权利要求所述的电力电子设备，
其特征在于：所述绝缘层(S1)的厚度小于1mm。
5.根据权利要求1所述的电力电子设备，
其特征在于：设备被安排用于将所述逆变器单元(INU1，INU2)的开关频率设置为所述开关频率或其倍数不满足所述DC总线安排的谐振频率峰值的值。
6.根据任何前述权利要求所述的电力电子设备，
其特征在于：所述第一DC总线电流导体(DC+)和所述第二DC总线电流导体(DC-)是母线。
7.根据任何前述权利要求所述的电力电子设备，
其特征在于：所述第一DC总线电流导体(DC+)和所述第二DC总线电流导体(DC-)被安排用于从所述金属框架(31)的一端延伸到所述金属框架(31)的另一端。
8.根据任何前述权利要求所述的电力电子设备，
其特征在于：所述第一DC总线电流导体(DC+)和所述第二DC总线电流导体(DC-)包括电力模块的连接部分36。
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