CN110957958A - 一种双面散热的风冷型轴控牵引逆变功率单元 - Google Patents

Abstract

本发明属于动车机车牵引系统技术领域，涉及一种双面散热的风冷型轴控牵引逆变功率单元，将原有的架控式一个三相逆变电路牵引3台电机更换为轴控式三个三相逆变电路牵引3台电机，在满足原有架控式牵引逆变功率单元安装尺寸的前提下，将三个三相逆变单元和一个斩波单元以及直流母线支撑电容集成到一个功率模块上，实现原架控牵引逆变功率单元中一个三相逆变单元和一个斩波单元的功率变换功能，提高了系统冗余度，增强了抗故障能力；同时，通过在主体风道的两侧增加热管散热器，实现了风冷散热模式下一个功率单元中IGBT的双面布局方式，使IGBT散热更加均匀，减小了散热器的长度，提高了机车空间利用率，最终提高功率单元的冷却效果。

Description

一种双面散热的风冷型轴控牵引逆变功率单元

技术领域

本发明属于动车机车牵引系统技术领域，涉及内燃机车的轴控式牵引逆变功率单元，具体涉及一种双面散热的风冷型轴控牵引逆变功率单元。

背景技术

目前，现有的交流传动内燃机车，通常有架控和轴控两种动力配置方式。架控配置方式是一台牵引逆变器驱动其所对应转向架下的所有电机运行，此种动力配置方式，系统受车轮轮径影响较大，粘着利用率较低，当逆变器发生故障时，机车会损失一半动力，系统抗故障能力较差，冗余度较低。轴控配置方式是一台逆变器单独驱动一台电机运行，此种配置方式，相较于架控配置方式，系统不会受到轮径偏差的影响，其粘着利用率较高，可以较为充分地利用牵引电机的最大牵引力。而且，当一台逆变器发生故障时，只损失一台电机的牵引功率，牵引力损失很少，机车可以正常运行，系统冗余度较高，抗故障能力较强。

架控式交流传动内燃机车的变流系统包含两套整流器和两套牵引逆变器，一套整流器和一套牵引逆变器一起完成一个车架的工作，另一套整流器和另一套牵引逆变器一起完成另一个车架的工作。就一个车架来说，每台牵引逆变器由8只大功率IGBT模块组成，其中6只组成三相逆变电路，2只组成斩波电路，采用电压型、两电平电路结构。在牵引工况下，牵引逆变器采用变压变频(VVVF)方式向牵引电机供电；在制动工况下，牵引逆变器通过交-直变换，将牵引电机发出的三相交流电转换成直流电，回馈到中间直流回路，用于动力电池充电、辅助系统用电或消耗在制动电阻上，其电气原理图如图1。而这种架控式内燃机车的牵引逆变器电子器件数量较少，因此逆变装置的故障位置点较少，对器件的容量和耐受能力要求较高，一旦IGBT功率器件出现故障，系统将失去一半甚至全部动力，使机车无法正常工作。

目前，动车、机车的牵引逆变功率单元由于其功率器件开关频率大、耗散功率大等特点，常常采用水冷散热方式。水冷散热方式的逆变功率单元有IGBT单面布局方式和IGBT双面布局方式。但是，内燃机车由于自身空间限制，无法安装冷却塔等庞大的水路冷却系统，其牵引功率单元常常采用风冷散热方式。采用风冷散热方式的牵引逆变功率单元只有IGBT单面布局方式，即所有的功率器件布置在一个散热器的基板上，整体结构占用尺寸较大，并且牵引逆变功率单元安装在风道的一个侧面上，冷却风从入口到出口流经所有的功率器件，冷却风不断带走所流经器件的热量，风温不断升高，入口远端的器件散热效果大幅降低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种双面散热的风冷型轴控牵引逆变功率单元，通过将三个三相逆变电路与一个斩波电路集成化设计，分散了故障风险，降低了IGBT器件损坏可能引起的动力损失，提高机车运行安全；同时配合双面散热的结构设计，使IGBT散热更加均匀，同时减小了散热器的长度。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种双面散热的风冷型轴控牵引逆变功率单元，包括：功率单元主体及安装于功率单元主体外的支撑框架，所述支撑框架的前表面由上至下分布有驱动控制箱及主体风道，所述支撑框架的左、右侧面对应安装左侧盖板、右侧盖板；

所述功率单元主体的顶部分布有支撑电容，所述支撑电容安装于支撑框架的顶部。每个所述支撑电容连接一个电容母排，所述电容母排上的P/N端为逆变电路提供直流电；所述主体风道的两侧分别安装有一个热管散热器，所述热管散热器的一端伸入主体风道内；

所述功率单元主体的左侧分布有第一逆变电路和第二逆变电路，所述第一逆变电路和第二逆变电路通过第一逆变母排电气连接，所述第一逆变母排的直流输入端向上与第一电容母排电气连接，所述第一逆变母排的交流输出端向下通过U1\V1\W1，U2\V2\W2端子输出；

所述功率单元主体的右侧分布有第三逆变电路及制动斩波电路，所述第三逆变电路和制动斩波电路通过第二逆变母排电气连接，所述第二逆变母排的直流输入端向上与第二电容母排电气连接，所述第二逆变母排的交流输出端向下通过U3\V3\W3、C端子输出；

所述热管散热器基板的表面分布有IGBT，所述热管散热器的外侧分别安装有左侧框架、右侧框架，所述左侧框架、右侧框架对称分布于主体风道的两侧，所述左侧框架上安装有第一控制接口，右侧框架上安装有第二控制接口。

进一步地，所述驱动控制箱的侧面安装有用于对控制箱体内部驱动板及电源板进行降温的风扇。

进一步地，所述IGBT共20只，包括18只3300V/1000A的IGBT和2只3300V/1800A的IGBT；每6只IGBT组成一个三相逆变电路，共组成3个三相逆变电路；所述主体风道左侧面布置12只3300V/1000A的IGBT，形成第一逆变电路及第二逆变电路，所述主体风道右侧面布置6只3300V/1000A的IGBT形成第三逆变电路，2只3300V/1800A的IGBT形成制动斩波电路。

进一步地，所述第一控制接口安装于左侧框架的进风口方向，所述第二控制接口安装于右侧框架的进风口方向，第一控制接口和第二控制接口分别通过连接器与机车端的信号连接器相互连接，方便插拔。

进一步地，所述牵引逆变功率单元还包括机械接口，所述机械接口包括两处竖直方向安装孔及四处前后方向安装孔，所述竖直方向安装孔位于功率单元主体风道的进风口底板上，所述牵引功率单元通过竖直方向安装孔、通过高强度六角螺栓与车架安装固定；所述前后方向安装孔位于主体风道的四个顶角处，通过螺杆与车架安装固定。

进一步地，所述四个安装孔关于主体风道的中心对称，能够保证功率单元重心居中，安装稳固。

进一步地，所述支撑框架的顶部安装有四个吊装环，且吊装环对称安装于支撑框架的顶部。

进一步地，所述左侧盖板、右侧盖板分别与支撑框架通过螺钉固定连接。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：通过对现有的架控式牵引逆变功率单元进行替换，将原有的架控式8只大功率器件组成的一个三相逆变电路牵引3台电机更换为轴控式20只较小功率器件组成的三个三相逆变电路牵引3台电机，在满足原有架控式牵引逆变功率单元的安装尺寸的前提下，将三个逆变单元和一个斩波单元以及直流母线支撑电容集成到一个功率模块上，实现原架控牵引逆变功率单元中一个逆变单元和一个斩波单元的功率变换功能；同时，在主体风道的两侧面分别设置热管散热器，通过对功率器件进行双面布置，能够提高功率单元的冷却效果。

此外，本发明提供的轴控式牵引逆变功率单元，采用20只较小功率IGBT组成三个逆变单元和一个斩波单元，当一个逆变单元发生故障时，只损失一台电机的牵引功率，牵引力损失很少，机车可以正常运行，能够提高系统的冗余程度以及抗故障能力。总之，轴控配置方式是一台牵引逆变器单独驱动一台电机运行，此种配置方式，相较与架控配置方式，系统不会受到轮径偏差的影响，其粘着利用率较高，可以较充分地利用牵引电机的最大牵引力。

附图说明

图1为现有技术架控式牵引逆变功率模块的电气原理图；

图2为本发明提供的双面散热的风冷型轴控牵引逆变功率单元的电气原理图；

图3为本发明提供的功率单元左侧的IGBT布局示意图；

图4为本发明提供的功率单元右侧的IGBT布局示意图；

图5为本发明提供的双面散热的风冷型轴控牵引逆变功率单元的组装结构示意图；

图6为本发明提供的牵引逆变功率单元的对外接口示意图。

其中：1、驱动控制箱；2、主体风道；3、左侧盖板；4、右侧盖板；5、支撑电容；6、第一逆变电路；7、第二逆变电路；8、第三逆变电路；9、制动斩波电路；10、第一逆变母排；11、第二逆变母排；12、第一电容母排；13、第二电容母排；14、左侧框架；15、右侧框架；16、第一控制接口；17、第二控制接口；18、风扇；19、前后方向安装孔；20、吊装环；21、竖直方向安装孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

实施例

参见图2-6所示，本发明提供了一种双面散热的风冷型轴控牵引逆变功率单元，包括：功率单元主体及安装于功率单元主体外的支撑框架，所述支撑框架的前表面由上至下分布有驱动控制箱1及主体风道2，所述支撑框架的左、右侧面对应安装左侧盖板3、右侧盖板4；

功率单元主体的顶部设有支撑电容5，支撑电容5安装于支撑框架的顶部，每个支撑电容5连接一个电容母排，所述电容母排上的P/N端为逆变电路提供直流电；主体风道2的两侧分别安装有一个热管散热器，热管散热器的一端伸入主体风道2内；

功率单元主体的左侧分布有第一逆变电路6和第二逆变电路7，第一逆变电路6和第二逆变电路7通过第一逆变母排10电气连接，第一逆变母排10的直流输入端向上与第一电容母排12电气连接，第一逆变母排10的交流输出端向下通过U1\V1\W1，U2\V2\W2端子输出，为电机提供交流电源；

功率单元主体的右侧分布有第三逆变电路8和制动斩波电路9，第三逆变电路8和制动斩波电路9通过第二逆变母排11电气连接，第二逆变母排11的直流输入端向上与第二电容母排13电气连接，第二逆变母排11的交流输出端向下通过U3\V3\W3、C端子输出，为电机提供交流电源；

热管散热器基板的表面分布有IGBT；热管散热器的外侧分别安装有左侧框架14、右侧框架15，所述左侧框架14、右侧框架15对称分布于主体风道2的两侧，左侧框架14上安装有第一控制接口16，右侧框架15上安装有第二控制接口17。

优选地，左侧盖板3、右侧盖板4分别与支撑框架通过螺钉固定连接，用于对电子器件进行防尘及安全防护。同时，左侧框架14、右侧框架15，能够作为功率单元主体结构的机械支撑，同时也对功率单元主体内部的IGBT和复合母排等电子器件进行保护，防止磕碰损伤。

进一步地，支撑电容5的数量为两个，一个支撑电容5连接一个电容母排，机车提供的直流电通过两个电容母排上的P\N端输入，为逆变电路提供直流电；其中，支撑电容5位于主体风道2的上方，固定安装于支撑框架的顶部，对主电路滤波并吸收主电路杂散电感。

进一步地，驱动控制箱1的侧面安装有用于对控制箱体内部降温的风扇18，用于对内部驱动板及电源板进行降温冷却，提高其可靠性。

优选地，驱动控制箱1位于主体风道的上方，设置于支撑电容5的前方，正对工作人员，能够方便工作人员对控制箱体内的驱动板及电源板进行拆装维护。

进一步地，所述IGBT共20只，包括18只3300V/1000A的IGBT和2只3300V/1800A的IGBT；每6只IGBT组成一个三相逆变电路，共组成3个三相逆变电路；以主体风道2的进风口为牵引逆变功率单元正面，主体风道2的左侧面布置12只3300V/1000A的IGBT，形成第一逆变电路6及第二逆变电路7，主体风道2的右侧面布置6只3300V/1000A的IGBT形成第三逆变电路8，2只3300V/1800A的IGBT形成制动斩波电路9，具体布局可参见图3和图4。

进一步地，第一控制接口16安装于左侧框架14的进风口方向，第二控制接口17安装于右侧框架15的进风口方向，第一控制接口16、第二控制接口17分别通过连接器与机车端的信号连接器相互连接，方便插拔。

进一步地，牵引逆变功率单元通过机械接口与车架安装固定，机械接口包括两处竖直方向安装孔21及四处前后方向安装孔19，竖直方向安装孔21位于功率单元主体风道2的进风口底板上，包括两个腰型开孔、通过高强度六角螺栓与车架安装固定；四处前后方向安装孔19位于主体风道2的四个顶角处，通过长螺杆与车架安装固定。

优选地，四处前后方向安装孔19关于主体风道2的中心对称设置，保证功率单元重心居中，安装稳固。

进一步地，支撑框架1的顶部安装有四个吊装环20，由于功率单元整体重量较大(300kg)，装配到机车时必须借助天车进行吊装。为保证功率单元吊装过程中重心居中，吊装平稳，吊装环20对称安装于支撑框架的顶部。

综上，本发明提供的这种双面散热的风冷型轴控牵引逆变功率单元，其具体的工作原理及过程如下：

参见图6所示，为本发明提供的一种双面散热的风冷型轴控牵引逆变功率单元的对外接口示意图，电气接口有直流输入端子P/N端(两侧各一组)，交流输出端子U1\V1\W1\U2\V2\W2\U3\V3\W3\C，全部通过铜排与机车相连；电光信号的第一控制接口16、第二控制接口17，通过连接器与机车端信号连接器相互安装，方便插拔；机械接口包括两处竖直方向安装孔21及四处前后方向安装孔19，竖直方向安装孔21位于逆变单元主体风道2的进风口底板上，具体为腰型开孔，通过高强度六角螺栓与车架安装，前后方向安装孔19位于主体风道2的四个顶角处，通过长螺杆与车架安装，能够保证功率单元重心居中，安装稳固。

因此，本发明提供的这种双面散热的风冷型轴控牵引逆变功率单元，通过将原有的架控式8只大功率器件更换为轴控式20只较小功率器件，分散了故障风险，降低了IGBT器件损坏可能引起的动力损失，提高机车运行安全性；通过将架控式大功率器件更换为轴控式较小功率器件，降低了主电路电流等级，从而减小了复合母排杂散电感，减小了复合母排厚度，减轻了功率单元总重量；通过在主体风道的两侧增加热管散热器，实现了风冷散热模式中IGBT的双面布局方式，是行业内首次实现风冷散热模式的双面布局，使IGBT散热更加均匀，同时减小了散热器的长度，提高了机车空间利用率。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。

应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种双面散热的风冷型轴控牵引逆变功率单元，其特征在于，包括：功率单元主体及安装于功率单元主体外的支撑框架，所述支撑框架的前表面由上至下分布有驱动控制箱(1)及主体风道(2)，所述支撑框架的左、右侧面对应安装左侧盖板(3)、右侧盖板(4)；

所述功率单元主体的顶部设有支撑电容(5)，所述支撑电容(5)安装于支撑框架的顶部，每个支撑电容(5)连接一个电容母排，所述电容母排上的P/N端为逆变电路提供直流电；所述主体风道(2)的两侧分别安装有一个热管散热器，所述热管散热器的一端伸入主体风道(2)内；

所述功率单元主体的左侧分布有第一逆变电路(6)和第二逆变电路(7)，所述第一逆变电路(6)和第二逆变电路(7)通过第一逆变母排(10)电气连接，所述第一逆变母排(10)的直流输入端向上与第一电容母排(12)电气连接，所述第一逆变母排(10)的交流输出端向下通过U1\V1\W1，U2\V2\W2端子输出；

所述功率单元主体的右侧分布有第三逆变电路(8)和制动斩波电路(9)，所述第三逆变电路(8)和制动斩波电路(9)通过第二逆变母排(11)电气连接，所述第二逆变母排(11)的直流输入端向上与第二电容母排(13)电气连接，所述第二逆变母排(11)的交流输出端向下通过U3\V3\W3、C端子输出；

所述热管散热器基板的表面分布有IGBT；所述热管散热器的外侧分别安装有左侧框架(14)、右侧框架(15)，所述左侧框架(14)、右侧框架(15)对称分布于主体风道(2)的两侧，所述左侧框架(14)上安装有第一控制接口(16)，右侧框架(15)上安装有第二控制接口(17)。

2.根据权利要求1所述的双面散热的风冷型轴控牵引逆变功率单元，其特征在于，所述支撑电容(5)的数量为两个，一个支撑电容(5)连接一个电容母排。

3.根据权利要求1所述的双面散热的风冷型轴控牵引逆变功率单元，其特征在于，所述驱动控制箱(1)的侧面安装有用于对控制箱体内部降温的风扇(18)。

4.根据权利要求1所述的双面散热的风冷型轴控牵引逆变功率单元，其特征在于，所述IGBT包括18只3300V/1000A的IGBT和2只3300V/1800A的IGBT；每6只IGBT组成一个三相逆变电路，共组成3个三相逆变电路；所述主体风道(2)左侧面布置12只3300V/1000A的IGBT，形成第一逆变电路(6)及第二逆变电路(7)，所述主体风道(2)右侧面布置6只3300V/1000A的IGBT形成第三逆变电路(8)，2只3300V/1800A的IGBT形成制动斩波电路(9)。

5.根据权利要求1所述的双面散热的风冷型轴控牵引逆变功率单元，其特征在于，所述第一控制接口(16)安装于左侧框架(14)的进风口方向，所述第二控制接口(17)安装于右侧框架(15)的进风口方向。

6.根据权利要求4所述的双面散热的风冷型轴控牵引逆变功率单元，其特征在于，所述第一控制接口(16)、第二控制接口(17)分别通过连接器与机车端的信号连接器相互连接。

7.根据权利要求1所述的双面散热的风冷型轴控牵引逆变功率单元，其特征在于，还包括机械接口，所述机械接口包括两处竖直方向安装孔(21)及四处前后方向安装孔(19)，所述竖直方向安装孔(21)位于功率单元主体风道(2)的进风口底板上，所述牵引功率单元通过竖直方向安装孔(21)、通过高强度六角螺栓与车架安装固定；所述前后方向安装孔(19)位于主体风道(2)的四个顶角处，通过螺杆与车架安装固定。

8.根据权利要求7所述的双面散热的风冷型轴控牵引逆变功率单元，其特征在于，所述前后方向安装孔(19)关于主体风道(2)的中心对称设置。

9.根据权利要求1所述的双面散热的风冷型轴控牵引逆变功率单元，其特征在于，所述支撑框架的顶部安装有四个吊装环(20)，所述吊装环(20)对称安装于支撑框架的顶部。

10.根据权利要求1所述的双面散热的风冷型轴控牵引逆变功率单元，其特征在于，所述左侧盖板(3)、右侧盖板(4)分别与支撑框架通过螺钉固定连接。

Images