CN112490003B - 适用于电力机车变流器的简统化支撑电容组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力机车变流器内支撑电容，具体为适用于电力机车变流器的简统化支撑电容组件。解决现有技术存在的问题，通过对支撑电容的容值、电压、外形尺寸、结构以及布局结构的简统化而具有一定的通用性，可应用在不同功率、电压的电力机车变流器上，减少了电容种类，提高了产品可靠性和降低了成本；适用于不同变流器结构安装方式。包括多个并排的单体支撑电容，每个单体支撑电容的容值、外形尺寸、结构、电压等级相同；单体支撑电容的容值简统为2mF；单体支撑电容的结构简统为干式无壳电容；单体支撑电容的电压等级为2000V和4000V；多个单体支撑电容的同极端子依次上、下位置交错或前、后位置交错或左右位置交错。

Description

适用于电力机车变流器的简统化支撑电容组件

技术领域

本发明涉及电力机车变流器内的电容，特别是支撑电容，具体为适用于电力机车变流器的简统化支撑电容组件。

背景技术

变流器是电力电子技术发展的重要产品，直流支撑电容是变流器的基础核心部件。近年来轨道交通变流器广泛采用金属化薄膜的支撑电容器，其作用是稳定中间直流电压。支撑电容的选取主要根据直流工作电压允许的波动范围及其正常工作所允许的谐波电流确定。因为牵引变流器的拓扑结构多种（如图1所示，简统化为一整一逆独立中间回路、二整二逆共中间回路、二整三逆共中间回路及三整三逆共中间回路四种主电路，并分为有二次滤波回路、无二次滤波回路两种情况），每种拓扑结构的控制方式、功率、电压不同，导致支撑电容的容值和电压也不同。每种拓扑结构需要重新设计电容，都需要重新设计膜具，导致增加产品的成本，采用新设计的电容，需要重新做型式试验以保证产品可靠性，进一步增加了产品的成本。

不同的总容值和电压要求致使支撑电容外形尺寸和单体数量不同，导致变流柜结构布局不同，不同电容布局导致系统杂散电感不同，引起支撑电容发生电流谐振现象和IGBT关断电压过高，并且增加设计成本。

发明内容

本发明为解决现有技术存在的上述问题，提供一种适用于电力机车变流器的简统化支撑电容组件。该电容组件通过对支撑电容的容值、电压、外形尺寸、结构以及布局结构的简统化而具有一定的通用性，适用于不同主电路、功率和电压下的电力机车变流器上，减少了电容种类，提高了产品可靠性和降低了成本；适用于不同变流器结构安装方式，从而可以灵活安装在不同变流柜子中。

本发明是采用如下技术方案实现的：适用于电力机车变流器的简统化支撑电容组件，包括多个并排且并联的单体支撑电容，每个单体支撑电容的容值、外形尺寸、结构、电压等级相同；

单体支撑电容的容值简统为2mF；

单体支撑电容的结构简统为干式无壳电容。现有电力机车变流器上的支撑电容结构分为：油浸式电容，干式有壳电容，干式无壳电容，由于油浸式电容存在漏油现象的，并且油式结构电容发生故障时，漏液，不阻燃，对周围器件也有可能造成损坏；干式电容发生故障时，泄露物质为阻燃物质，不会对周围器件产生破坏，从安全性角度来说，电容器结构设计以干式安全膜结构为主。有壳电容单位体积比无壳电容重，考虑到安全性和轻量化，电容的结构简统为干式无壳电容。

单体支撑电容的电压等级为1800V或3600V。电力机车变流器按照中间直流电压等级分类，分别是1800V、2800V及3600V。根据现有电力机车变流器未来产品趋势以及电容工作电压一般低于电容本身的标称电压，一般取值系统工作额定电压Un的1.1~1.2倍，将支撑电容简统化为2000V或4000V两种中间电压等级。

多个并排且并联的单体支撑电容的端子面朝向同一侧，并且多个单体支撑电容的同极端子依次上、下位置交错或前、后位置交错或左右位置交错。如图2－7所示，支撑电容的安装分为端子面朝前垂直安装、端子面朝前水平安装、端子面朝上立式安装三种形式；为了减少变流器主电路的杂散电感，支撑电容的电气端子采用复合母排连接，一般采用两种布局结构进行支撑电容的电气连接，如图8和图9所示，图中连线S1为一极的同极端子，连线S2为另一极的同极端子，图8所示的布局A采用直线连接支撑电容的同极端子，图9所示的布局B采用上、下或前、后交替连接支撑电容的同极端子，其中，上、下交替连接对应端子面朝前垂直安装，前、后交替连接对应端子面朝上立式安装；如图5所示的端子面朝前水平安装时，采用左、右交替连接。复合母排的设计原理是同一回路的正、负导体叠加在一起，使得分布电感互相抵消，减少回路的杂散电感，因此正、负导体叠加的面积越大，回路的电感越小，因为布局B采用交替连接，正负回路导体叠加面积大于布局A，所以简统化支撑电容端子布局结构采用布局B的方式，即多个并排且并联的单体支撑电容的端子面朝向同一侧，并且多个单体支撑电容的同极端子依次上、下位置交错或前、后位置交错或左右位置交错。

单体支撑电容的数量按如下确定：根据电力机车变流器的功率、电压等级及拓扑结构，计算出电力机车变流器所需支撑电容的最小总容值；根据支撑电容的最小总容值和电力机车变流器所含逆变器的数量（每个逆变器对应一个轴，每个轴对应一台电机）得到单逆变器（单轴）最小总容值；单逆变器（单轴）最小总容值为偶数时，单逆变器（单轴）最小总容值除以单体支撑电容的容值（2mF）得到单体支撑电容的数量，单逆变器（单轴）最小总容值为非偶数（奇数或小数）时，将单逆变器（单轴）最小总容值归化为大于其自身的最小偶数值，最小偶数值除以单体支撑电容的容值（2mF）得到单体支撑电容的数量。

本发明带来的有益效果：

1）简统化电容设计，减少了电容种类，降低库存，提高部件利用率，缩短部件开发周期，保障产品可靠性；适用于不同变流器结构安装方式，可以灵活安装在不同变流柜子中。

2）简统化电容布局，形成组件，适用于不同主电路、功率和电压要求，便于维护和功率拓展，减少由于功率变化而重新设计变流器结构，降低设计成本和新产品开发周期。

附图说明

图1为现有电力机车变流器拓扑结构图；

图2为单体支撑电容端子面朝前垂直安装示意图；

图3为图2的侧视图；

图4为单体支撑电容端子面朝前水平安装示意图；

图5为图4的侧视图；

图6为单体支撑电容端子面朝上立式安装示意图；

图7为图6的侧视图；

图8为单体支撑电容端子布局结构一示意图；

图9为单体支撑电容端子布局结构二示意图；

图10为单体支撑电容的外部结构示意图；

图11为图10的左视图；

图12为图10的俯视图；

图13为图10的仰视图。

具体实施方式

适用于电力机车变流器的简统化支撑电容组件，包括多个并排且并联的单体支撑电容，每个单体支撑电容的容值、外形尺寸、结构、电压等级相同；

单体支撑电容的容值简统为2mF；

单体支撑电容的结构简统为干式无壳电容；

单体支撑电容的电压等级为2000V或4000V；

多个并排且并联的单体支撑电容的端子面朝向同一侧，并且多个单体支撑电容的同极端子依次上、下位置交错或前、后位置交错或左右位置交错；

单体支撑电容的数量按如下确定：根据电力机车变流器的功率、电压等级及拓扑结构，计算出电力机车变流器所需支撑电容的最小总容值；根据支撑电容的最小总容值和电力机车变流器所含逆变器的数量（每个逆变器对应一个轴，每个轴对应一台电机）得到单逆变器（单轴）最小总容值；单逆变器（单轴）最小总容值为偶数时，单逆变器（单轴）最小总容值除以单体支撑电容的容值（2mF）得到单体支撑电容的数量；单逆变器（单轴）最小总容值为非偶数（奇数或小数）时，将单逆变器（单轴）最小总容值归化为大于其自身的最小偶数值，最小偶数值除以单体支撑电容的容值（2mF）得到单体支撑电容的数量。

具体实施时，单体支撑电容外形尺寸适用于不同变流器结构安装方式，从而能够灵活安装在不同变流柜子中。

由于电容选择无壳干式的结构，该结构可以在360度方向任意安装，由于支撑电容在变流柜内的安装方式为端子面朝前垂直安装、端子面朝前水平安装以及端子面朝上立式安装，设计单体支撑电容的外形结构需要能满足以上安装方式，端子采用内螺纹伸出方式，如图10－13所示，单体支撑电容两侧面的上下端、前后面顶部的左右端分别固定有平板状的安装脚，共有八个安装脚，分别为单体支撑电容一个侧面的上下端安装脚A、C，单体支撑电容另一个侧面的上下端安装脚B、D，单体支撑电容前面顶部的左右端安装脚G、H，单体支撑电容后面顶部的左右端安装脚 E、F，其中单体支撑电容的两侧面上的位于单体支撑电容引出端子一端的安装脚即安装脚A、B有一个延伸安装台2，使得单体支撑电容的两侧面上的位于单体支撑电容引出端子一端的安装脚即安装脚A、B的面积是两侧面另一端安装脚即安装脚C、D面积的两倍，用于端子面朝前垂直安装。单体支撑电容采用端子面朝前垂直安装时采用A、C、D三个安装脚，单体支撑电容通过安装脚A和安装脚C水平放置在变流柜固定梁上，安装脚A和安装脚D通过连接支架1固定在变流柜固定梁上，如图2－3所示；单体支撑电容采用端子面朝前水平安装时采用E、F、G、H四个安装脚，单体支撑电容水平放置在变流柜固定梁上，安装脚E、F、G、H通过连接支架1固定在变流柜固定梁上，如图4－5所示；单体支撑电容采用端子面朝上立式安装时采用A、B、C、D四个安装脚，单体支撑电容立式放置在变流柜固定梁上，安装脚A、B、C、D通过连接支架1固定在变流柜固定梁上，如图6－7所示。

由于无壳电容生产工艺原因，导致单体支撑电容长度尺寸有±3mm工艺误差，因此单体支撑电容底部加装四个固定环氧垫柱3，通过削减固定环氧垫柱高度使各单体支撑电容长度尺寸误差变为±1mm，用于单体支撑电容端子面朝上立式安装。多个单体支撑电容端子面朝上立式安装时，为了减少连接杂散电感，一般采用一个复合母排将多个单体支撑电容连接，要保证每个单体支撑电容端子面的误差±1mm，复合母排才能连接每个单体支撑电容，否则受力变形，易导致母排绝缘层断裂。

将简统化单体支撑电容组合成组件，安装在变流柜内一个单元格中，按照变流器的最大输出功率（最大单轴功率和最大辅助功率，一个单轴对应一个逆变器）计算出电力机车变流器所需支撑电容的最小总容值，进而确定所需单体支撑电容数量，进行布局。根据变流柜不同容值要求，减少单体电容种类，满足不同功率要求。

以下是中间母线电压为3600V电压等级为例，电容组件的单体支撑电容数量及容值在不同电力机车变流器拓扑、功率下的计算实例：

可以看出，将单体支撑电容的容值简统为2mF。实例中单个轴（每个逆变）需要简统化电容组件的最大总容值为8mF，数量是4，把单体支撑电容组成电容组件放到一起，进行电容的布局。

Claims (5)

1.一种适用于电力机车变流器的简统化支撑电容组件，其特征在于，包括多个并排且并联的单体支撑电容，每个单体支撑电容的容值、外形尺寸、结构、电压等级相同；

单体支撑电容的容值简统为2mF；

单体支撑电容的结构简统为干式无壳电容；

单体支撑电容的电压等级为2000V或4000V；

多个并排且并联的单体支撑电容的端子面朝向同一侧，并且多个单体支撑电容的同极端子依次上、下位置交错或前、后位置交错或左右位置交错；

单体支撑电容的数量按如下确定：根据电力机车变流器的功率、电压等级及拓扑结构，计算电力机车变流器所需支撑电容的最小总容值；根据支撑电容的最小总容值和电力机车变流器所含逆变器的数量得到单逆变器最小总容值；单逆变器最小总容值为偶数时，单逆变器最小总容值除以单体支撑电容的容值得到单体支撑电容的数量；单逆变器最小总容值为非偶数时，将单逆变器最小总容值归化为大于其自身的最小偶数值，最小偶数值除以单体支撑电容的容值得到单体支撑电容的数量；

单体支撑电容两侧面的上下端、前后面顶部的左右端分别固定有平板状的安装脚，共有八个安装脚，分别为单体支撑电容一个侧面的上下端安装脚A、C，单体支撑电容另一个侧面的上下端安装脚B、D，单体支撑电容前面顶部的左右端安装脚G、H，单体支撑电容后面顶部的左右端安装脚 E、F，其中单体支撑电容的两侧面上的位于单体支撑电容引出端子一端的安装脚即安装脚A、B有一个延伸安装台（2），使得单体支撑电容的两侧面上的位于单体支撑电容引出端子一端的安装脚即安装脚A、B的面积是两侧面另一端安装脚即安装脚C、D面积的两倍；

单体支撑电容采用端子面朝前垂直安装时采用A、C、D三个安装脚，单体支撑电容通过安装脚A和安装脚C水平放置在变流柜固定梁上，安装脚A和安装脚D通过连接支架（1）固定在变流柜固定梁上；单体支撑电容采用端子面朝前水平安装时采用E、F、G、H四个安装脚，单体支撑电容水平放置在变流柜固定梁上，安装脚E、F、G、H通过连接支架（1）固定在变流柜固定梁上；单体支撑电容采用端子面朝上立式安装时采用A、B、C、D四个安装脚，单体支撑电容立式放置在变流柜固定梁上，安装脚A、B、C、D通过连接支架（1）固定在变流柜固定梁上。

2.根据权利要求1所述的适用于电力机车变流器的简统化支撑电容组件，其特征在于单体支撑电容外形尺寸适用于不同变流器结构安装方式，从而能够安装在不同变流柜子中。

3.根据权利要求1或2所述的适用于电力机车变流器的简统化支撑电容组件，其特征在于单体支撑电容底部加装四个固定环氧垫柱（3）。

4.根据权利要求3所述的适用于电力机车变流器的简统化支撑电容组件，其特征在于简统化电容组件安装在变流柜内一个单元格中。

5.根据权利要求4所述的适用于电力机车变流器的简统化支撑电容组件，其特征在于按照变流器的最大输出功率计算电力机车变流器所需支撑电容的最小总容值。

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