CN107919804B - 一种内燃机车整流斩波相功率模块 - Google Patents

一种内燃机车整流斩波相功率模块 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种内燃机车整流斩波相功率模块，内燃调车机车牵引电传动系统主电路以及整流斩波相功率模块的主电路；牵引电传动系统主电路包括主发电机、整流斩波相功率模块以及与整流斩波相功率模块共用直流母线的三相逆变模块，还包括牵引电机；整流斩波相功率模块包括一组单相整流桥臂和一个斩波支路；内燃调车机车牵引电传动系统的交‑直变换功能由三个结构相同的整流斩波相功率模块完成；整流斩波相功率模块共同搭接在主电路的直流母线上，单相整流桥臂组合完成三相整流功能，三个斩波支路并联完成直流斩波功能。本发明有效利用了变流柜组装空间，简化了接线结构，并且减小了模块温升，使功率模块工作更加稳定，安全，适应性更好。

Description

一种内燃机车整流斩波相功率模块
技术领域
本发明属于内燃机车技术领域，涉及一种功率模块，尤其是一种应用于内燃调车机车牵引电传动系统的内燃机车整流斩波相功率模块。
背景技术
内燃机车交流电传动系统工作时，柴油机拖动主发电机，TCMS控制主发电机励磁电流，使其根据柴油机转速输出三相交流电压，然后供给牵引变流器，牵引变流器输出的三相交流电压供给同一转向架上的牵引电机，按照“牵引主发电机—牵引变流器—三相交流电机负载”的形式完成牵引控制。而牵引变流器通常采用“三相整流模块+制动斩波模块+三相逆变模块”的电路结构完成整个变流系统的功能变换。
现有技术中，在牵引系统中功率模块功能单一，电路结构复杂：由于牵引变流系统既要完成整流功能，又要完成逆变与斩波功能，在功率模块设计时会有两种或三种功能的功率模块，用于电路连接的复合母排也会有两种或三种类型。这不但给功率模块带来较多的设计成本和材料成本，而且造成相对复杂的电路结构连接。并且三相整流模块做为一个整体结构，六支二极管同时散热，模块温升较高，存在烧损风险。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种内燃机车整流斩波相功率模块。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
这种内燃机车整流斩波相功率模块，包括整流斩波相模块主电路，以及整流斩波相模块所在内燃调车机车牵引电传动系统主电路。牵引电传动系统主电路包含主发电机、整流斩波相功率模块、三相逆变功率模块以及牵引电机等；每个整流斩波相功率模块主电路包括一组单相整流桥臂和一个斩波支路；三个整流斩波相功率模块共同搭接在主电路的直流母线上，三组单相整流桥臂组合完成三相整流功能，三个斩波支路并联完成直流斩波功能。
进一步的，组成所述功率模块电路的各器件安装在风冷散热器的表面，所述风冷散热器采用强迫风冷的散热方式，每个整流斩波相功率模块拥有独立的风道。
进一步，上述风冷散热器的表面安装有第一二极管、第二二极管、第一IGBT和第二IGBT；在风冷散热器的表面还安装有温度传感器；所述第一二极管和第二二极管构成单相整流电路，所述第一IGBT和第二IGBT构成斩波电路；所述第一IGBT为斩波电路的上桥臂，在第一IGBT上安装有用以电路过压时保护器件不被烧损的配置版，所述第二IGBT为斩波电路的下桥臂。
进一步，上述风冷散热器的表面侧边分别安装有左框架、右框架和支撑板；所述左框架与右框架的上方由上框架进行搭接；所述第一二极管、第二二极管、第一IGBT和第二IGBT的电气连接端子通过能够实现整流斩波电路输入与输出的复合母排进行电气连接；所述支撑板上面安装有绝缘支撑座。
进一步，上述绝缘支撑座为DMC层压板，在绝缘支撑座上设置有方形槽，在方形槽内装有用于复合母排机械支撑及对外部电气连接紧固的方形活动螺母。
进一步，上述绝缘支撑座的方形槽底部设置有一圆形沉孔，所述圆形沉孔为盲孔；所述复合母排端部与外部铜排搭接后，通过螺栓紧固到方形活动螺母上。
进一步，上述方形螺母与方形槽之间装配后各个匹配面之间留有活动间隙，用于调整外部铜排与复合母排的安装。
进一步，以上在左框架和右框架上安装有屏蔽支撑板，所述屏蔽支撑板通过绝缘垫柱安装有驱动板；所述屏蔽支撑板位于复合母排和驱动板之间；所述屏蔽支撑板由铝合金板双面热敷绝缘膜复合而成，在屏蔽支撑板边缘的金属部分裸露，并与框架搭接进行接地保护。
进一步，在以上左框架和右框架的侧面安装有防尘保护板，所述右框架的侧面还安装有用于驱动板电源供给的低压电源连接器；最上方还安装有用于各框架之间机械连接的盖板，所述盖板上开有用于外部光纤信号与驱动板传送的方形孔；所述左框架、右框架、上框架和盖板组成功率模块的主框架；所述主框架通过长螺杆与变流柜进行机械安装。
进一步，上述主框架通过四个长螺杆与变流柜进行机械安装，四个长螺杆根据重心分布在功率模块的四个角落位置；所述左框架、右框架和风冷散热器分别开有用于长螺杆穿过风冷散热器与变流柜安装的通孔。
本发明具有以下有益效果：
本发明采用二极管不控整流加直流斩波调压方式替代以往晶闸管相控整流，提高变流装置的输入功率因数。并且，对比电力机车通过受电弓从电网取电，而内燃机车需自带燃料，车头被占用体积大。针对内燃机车自身空间狭小的特点，本发明将三相整流模块和斩波模块通过“拆分-重组”模式设计为三个一模一样的单相整流加斩波的相模块，减小了单个模块的体积，解决了三相整流模块体积过大无法整体安装的问题，有效利用了变流柜狭长的安装空间，同时也简化了主电路接线结构。
进一步的，本发明采用相模块设计，这种模块化设计可以使三个桥臂分别放置在三个独立的风道上，使得模块散热布局更加均匀，并且有效利用了散热风量，减小了模块温升。
综上所述，本发明设计了一种新型整流斩波牵引功率模块，在实现相同整流与斩波功能的情况下，有效利用了变流柜组装空间，简化了主电路接线结构，并且减小了模块温升，使功率模块工作更加稳定，安全可靠，适应性更好。
附图说明
图1为本发明内燃机车牵引电传动系统主电路原理图；
图2为本发明整流斩波相功率模块主电路原理图；
图3为本发明散热器表面安装组件图；
图4为本发明复合母排安装组件图；
图5为本发明绝缘支撑座结构分解图；
图6为本发明驱动板安装组件图；
图7为本发明功率模块正面视图；
图8为本发明功率模块的侧面视图。
其中：1为风冷散热器；2为第一二极管；3为第二二极管；4为第一IGBT；5为第二IGBT；6为配置版；7为温度传感器；8为左框架；9为右框架；10为上框架；11为支撑板；12为绝缘支撑座；13为复合母排；14为方形活动螺母。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明的内燃机车整流斩波相功率模块，包括整流斩波相功率模块所在内燃调车机车牵引电传动系统主电路，以及整流斩波相功率模块的主电路。牵引电传动系统主电路包括主发电机G、整流斩波相功率模块A0以及与整流斩波相功率模块A0共用直流母线的三相逆变模块B，还包括三相逆变模块B后端带动的牵引电机M；每个整流斩波相功率模块A0包括一组单相整流桥臂和一个斩波支路；内燃调车机车牵引电传动系统的交-直变换功能由三个结构相同的整流斩波相功率模块A0完成；三个整流斩波相功率模块A0共同搭接在主电路的直流母线上，三组单相整流桥臂组合完成三相整流功能，三个斩波支路并联完成直流斩波功能。
本发明涉及的内燃机车电传动系统工作时，柴油机拖动主发电机，TCMS控制主发电机励磁电流，使其根据柴油机转速输出560～1400V三相交流电压，然后分两路供给两组变流器。两组变流器结构完全相同，每组变流器功率模块主电路原理如图1所示。三相交流电压经整流桥整流成720～1800V直流电压，再由三台逆变器变换成0～1390V、0～100Hz的调频调压三相交流电压分别供给同一转向架上的三台牵引电机，从而完成牵引控制；电阻制动时，制动接触器吸合，接通制动电阻，逆变器控制牵引电机的发电机工作，并控制施加在制动电阻的电流，从而实现制动斩波控制。
本发明的功率模块以风冷散热器1为基础，采用层叠式模块化安装结构。最下面为风冷散热器1，功率器件：第一二极管2、第二二极管3、第一IGBT4、第二第二IGBT5、温度传感器7安装在散热器表面，其中第一二极管2与第二二极管3构成单相整流电路，第一IGBT4与第二IGBT5构成斩波电路。第一IGBT4为斩波电路的上桥臂，上面安装有配置板6，用于电路过压时保护IGBT器件不被烧损；第二IGBT5为斩波电路的下桥臂，应用二极管的续流功能为器件关断时进行续流。如图3，散热器表面安装组件图。
散热器表面侧边分别安装有左框架8、右框架9、支撑板11。左框架8与右框架9上方由上框架10进行搭接。功率器件第一二极管2、第二二极管3、第一IGBT4、第二IGBT5的电气连接端子通过复合母排13进行电气连接，实现整流斩波电路的输入与输出。支撑板11上面安装有绝缘支撑座12，绝缘支撑座12材料为DMC层压板，上面设计有方形槽，槽内装有方形活动螺母14，用于复合母排的机械支撑和对外部电气连接时的紧固。如图4，复合母排安装组件图、图5，绝缘支撑座结构分解图。
在本发明的最佳实施例中：图5中绝缘支撑座12的方形槽尺寸为22*22*21(长*宽*深)，方形槽的底部设计有一个直径为φ12、深度为14的圆形沉孔，沉孔为盲孔，底部有7mm厚。方形活动螺母14尺寸为20*20*20(长*宽*高)，螺纹M8。复合母排13端部与外部铜排搭接后，通过M8螺栓紧固到方形活动螺母14上。由于方形螺母14与方形槽之间装配后各个匹配面之间留有活动间隙，方便调整外部铜排与复合母排13的安装；而方形槽底部沉孔的设计使得螺栓紧固后伸出螺母部分的容纳。
在左框架8、右框架9上安装有屏蔽支撑板15，驱动板17通过绝缘垫柱16安装到屏蔽支撑板15上。屏蔽支撑板15由2mm厚铝合金板双面热敷绝缘膜复合而成，并且边缘的金属部分是裸露的，与框架搭接兼具接地保护的作用。屏蔽支撑板15位于复合母排13和驱动板17之间，除了对驱动板17起机械支撑的作用，同时对复合母排13和驱动板17之间的电磁干扰进行电气隔离和电磁屏蔽。如图6，驱动板安装组件图。
在左框架8、右框架9侧面安装有防尘保护板18，用轻便绝缘的PVC材料制成，右框架9侧面安装有低压电源连接器19，用于驱动板17的电源供给。功率模块最上方安装有盖板20，用于各个框架之间的机械连接。盖板20上开有方形孔，用于外部光纤信号与驱动板17的传送。左框架8、右框架9、上框架10、盖板20一起组成功率模块的主框架，对模块进行保护。功率模块通过四个长螺杆21与变流柜进行机械安装。如图7，功率模块总图正面视图。
四个长螺杆21根据重心分布在功率模块四个角落的位置，左框架8、右框架9、风冷散热器1分别开有通孔，用于长螺杆21穿过风冷散热器1与变流柜安装。如图8，功率模块总图侧面视图。

Claims (3)

1.一种内燃机车整流斩波相功率模块，其特征在于，包括整流斩波相功率模块所在内燃调车机车牵引电传动系统主电路，以及整流斩波相功率模块的主电路；所述牵引电传动系统主电路包括主发电机(G)、整流斩波相功率模块(A0)以及与整流斩波相功率模块(A0)共用直流母线的三相逆变模块(B)，还包括三相逆变模块(B)后端带动的牵引电机(M)；所述整流斩波相功率模块(A0)包括一组单相整流桥臂和一个斩波支路；所述内燃调车机车牵引电传动系统的交-直变换功能由三个结构相同的整流斩波相功率模块(A0)完成；所述三个整流斩波相功率模块(A0)共同搭接在主电路的直流母线上，三组单相整流桥臂组合完成三相整流功能，三个斩波支路并联完成直流斩波功能；
组成所述功率模块电路的各器件安装在风冷散热器(1)的表面，所述风冷散热器(1)采用强迫风冷的散热方式，每个整流斩波相功率模块拥有独立的风道；
所述风冷散热器(1)的表面安装有第一二极管(2)、第二二极管(3)、第一IGBT(4)和第二IGBT(5)；在风冷散热器(1)的表面还安装有温度传感器(7)；所述第一二极管(2)和第二二极管(3)构成单相不控整流电路，所述第一IGBT(4)和第二IGBT(5)构成直流斩波电路；所述第一IGBT(4)为斩波电路的上桥臂，在IGBT(4)上安装有用以电路过压时保护器件不被烧损的配置版(6)，所述第二IGBT(5)为斩波电路的下桥臂；
所述风冷散热器(1)的表面侧边分别安装有左框架(8)、右框架(9)和支撑板(11)；所述左框架(8)与右框架(9)的上方由上框架(10)进行搭接；所述第一二极管(2)、第二二极管(3)、第一IGBT(4)和第二IGBT(5)的电气连接端子通过能够实现整流斩波电路输入与输出的复合母排(13)进行电气连接；所述支撑板(11)上面安装有绝缘支撑座(12)；
所述绝缘支撑座(12)为DMC层压板，在绝缘支撑座(12)上设置有方形槽，在方形槽内装有用于复合母排(13)机械支撑及对外部电气连接紧固的方形活动螺母(14)；
所述绝缘支撑座(12)的方形槽底部设置有一圆形沉孔，所述圆形沉孔为盲孔；所述复合母排(13)端部与外部铜排搭接后，通过螺栓紧固到方形活动螺母(14)上；
所述方形螺母(14)与方形槽之间装配后各个匹配面之间留有活动间隙，用于调整外部铜排与复合母排(13)的安装；
在所述左框架(8)和右框架(9)上安装有屏蔽支撑板(15)，所述屏蔽支撑板(15)通过绝缘垫柱(16)安装有驱动板(17)；所述屏蔽支撑板(15)位于复合母排(13)和驱动板(17)之间；所述屏蔽支撑板(15)由铝合金板双面热敷绝缘膜复合而成，在屏蔽支撑板(15)边缘的金属部分裸露，并与框架搭接进行接地保护。
2.根据权利要求1所述的内燃机车整流斩波相功率模块，其特征在于，在左框架(8)和右框架(9)的侧面安装有防尘保护板(18)，所述右框架(9)的侧面还安装有用于驱动板(17)电源供给的低压电源连接器(19)；最上方还安装有用于各框架之间机械连接的盖板(20)，所述盖板(20)上开有用于外部光纤信号与驱动板(17)传送的方形孔；所述左框架(8)、右框架(9)、上框架(10)和盖板(20)组成功率模块的主框架；所述主框架通过长螺杆(21)与变流柜进行机械安装。
3.根据权利要求2所述的内燃机车整流斩波相功率模块，其特征在于，所述主框架通过四个长螺杆(21)与变流柜进行机械安装，四个长螺杆(21)根据重心分布在功率模块的四个角落位置；所述左框架(8)、右框架(9)和风冷散热器(1)分别开有用于长螺杆(21)穿过风冷散热器(1)与变流柜安装的通孔。
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