CN112953249A - 一种变流器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种变流器，上述变流器的前侧设置有连接单元和多个变流回路的功率单元，上述连接单元包括多个连接组件，各个变流回路通过对应的连接组件与外部变压器相连，并独立地为对应的外部用电设备供电；上述变流器的后侧设置有多个变流回路的电容单元，多个功率单元与多个电容单元之间通过位于上述变流器中间的直流母排连接。本发明所提供的变流器中变流回路均通过连接组件实现独立控制，提高产品运行可靠性。本发明所提供的变流器的功率模块与电容分离，有利于降低模块重量，功率模块和连接组件均设置在变流器前侧，提高可维护性。

Description

一种变流器

技术领域

本发明涉及电力电子器件领域，尤其涉及变流器或变频器技术中的大功率变流装置领域。

背景技术

随着我国国民经济的快速发展，城市交通需求剧增，轨道交通技术在经历上百年的发展后，正朝着高集成高输出的方向快速发展。牵引变流器作为电力机车的核心部件，正在朝大功率、调节控制性能齐全和对通信、电网无干扰的方向发展，这对牵引变流器箱体内部电力电子元器件的集成程度无疑提出了更高的要求。这一方面体现在对变流器功率、重量和体积要求越来越严苛。

另一方面，牵引变流器作为电力机车的核心部件，其起到驱动电力机车车轴的作用，也就是说，牵引变流器是电力机车动力的来源。对于多轴机车，希望驱动各个车轴的牵引变流器能够相互独立，从而能够避免由于多个变流回路共用一部分元器件，在出现故障时只能一并关断所有变流回路，使机车动力损失严重的问题。

有鉴于此，希望能够提供一种变流器，使其具有独立轴控的特点，从而能够提高产品运行可靠性。并且能够实现模块集成化，从而能够有效降低整个变流器的体积、重量，并且能够提高可维护性。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

如上所描述的，为了提供一种具有独立轴控特点的变流器，且该变流器能够实现模块集成化，本发明的一方面提供了一种变流器，上述变流器的前侧设置有连接单元和多个变流回路的功率单元，上述连接单元包括多个连接组件，各个变流回路通过对应的连接组件与外部变压器相连，并独立地为对应的外部用电设备供电；

上述变流器的后侧设置有多个变流回路的电容单元，多个功率单元与多个电容单元之间通过位于上述变流器中间的直流母排连接。

在上述变流器的一实施例中，可选的，上述变流器的前侧还设置有控制单元，上述控制单元控制各个连接组件的通断，以控制各个变流回路的通断。

在上述变流器的一实施例中，可选的，上述控制单元还包括可装卸的前挡板，上述控制单元的前挡板构成上述变流器的前挡板的一部分。

在上述变流器的一实施例中，可选的，上述变流器内设置有包含风冷散热系统和液冷散热系统的双散热系统。

在上述变流器的一实施例中，可选的，上述风冷散热系统的风机设置在上述变流器的前侧，以从上述变流器的前侧吸取热风并排向上述变流器的后侧。

在上述变流器的一实施例中，可选的，上述液冷散热系统的主管路设置在上述变流器中间，上述主管路的输入接口与输出接口均设置在上述变流器的侧方。

在上述变流器的一实施例中，可选的，上述液冷散热系统还包括多个分支管路，各个分支管路分别连接各个功率单元。

在上述变流器的一实施例中，可选的，各个变流回路的电容单元包括支撑电容模块和构成二次谐振回路的二次谐振电容模块。

在上述变流器的一实施例中，可选的，各个功率单元和上述连接单元分别包括可装卸的前挡板，各个功率单元和上述连接单元的前挡板构成上述变流器的前挡板的一部分；和/或

各个电容单元还包括可装卸的后挡板，各个电容单元的后挡板构成上述变流器的后挡板。

在上述变流器的一实施例中，可选的，其特征在于，各个变流回路的功率单元分别包括第一整流模块、第二整流模块和逆变模块，同一功率单元内的第一整流模块、第二整流模块和逆变模块通过上述直流母排连接。

在上述变流器的一实施例中，可选的，上述第一整流模块为两桥臂的功率模块，上述第二整流模块为三桥臂的功率模块，上述第一整流模块的两个桥臂构成整流器的第一相，上述第二整流模块的第一桥臂和第二桥臂构成上述整流器的第二相，上述第二整流模块中的第三桥臂用以连接斩波电阻模块。

在上述变流器的一实施例中，可选的，上述逆变模块为三桥臂的功率模块。

在上述变流器的一实施例中，可选的，构成各个第一整流模块、第二整流模块和逆变模块的IGBT元件为相同型号。

在上述变流器的一实施例中，可选的，上述外部用电设备包括分别驱动各个机车车轴的多个牵引电机。

在上述变流器的一实施例中，可选的，上述外部用电设备还包括辅助用电设备，上述变流器还包括为上述辅助用电设备供电的辅助逆变功率单元，上述辅助逆变功率单元设置在上述变流器的前侧，上述辅助逆变功率单元通过上述直流母排与任意一个或多个变流回路的电容单元相连。

在上述变流器的一实施例中，可选的，上述变流器还包括设置在变流器前侧的接线单元，上述连接组件通过上述接线单元与上述外部变压器相连，上述逆变模块的输出通过上述接线单元连接至上述外部用电设备。

本发明所提供的变流器中变流回路均通过连接组件实现独立控制，提高产品运行可靠性。本发明所提供的变流器的功率模块与电容分离，有利于降低模块重量，功率模块和连接组件均设置在变流器前侧，提高可维护性。

附图说明

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1示出了本发明的一方面所提供的变流器的电路结构示意图。

图2示出了本发明的一方面所提供的变流器外部结构的主视图。

图3A、3B示出了本发明的一方面所提供的变流器内部结构的主视图。

图4示出了本发明的一方面所提供的变流器内部结构的后视图。

图5示出了本发明的一方面所提供的变流器外部结构的后视图。

附图标记

101 主断路器

102 变压器

103 连接组件

104、206 第一整流模块

105、205 第二整流模块

106 二次谐振电感

107 二次谐振电容

108 支撑电容

109、207 逆变模块

110、208 辅助逆变模块

201 柜体

202、203、204 前挡板

209 控制单元

210 电流传感组件

211 电压传感组件

212 斩波电阻

213 固定放电电阻

214 充电电阻

215 输入输出端口

216 直流母线

217 交流母线

218 接触器

219 散热风机

220 电容单元

221 后挡板

222 液冷系统

223 中横梁

224 顶横梁

225、226、227 前竖梁

228 后竖梁

229 后横梁

230 底架

231 左侧板

232 后侧板

233 隔板

234 风道隔板

235 辅变腔隔板

236 接线板

237 顶板

238 控制单元腔

239 斩波电阻腔

240 模块安装梁

具体实施方式

给出以下描述以使得本领域技术人员能够实施和使用本发明并将其结合到具体应用背景中。各种变型、以及在不同应用中的各种使用对于本领域技术人员将是容易显见的，并且本文定义的一般性原理可适用于较宽范围的实施例。由此，本发明并不限于本文中给出的实施例，而是应被授予与本文中公开的原理和新颖性特征相一致的最广义的范围。

在以下详细描述中，阐述了许多特定细节以提供对本发明的更透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，本发明的实践可不必局限于这些具体细节。换言之，公知的结构和器件以框图形式示出而没有详细显示，以避免模糊本发明。

请读者注意与本说明书同时提交的且对公众查阅本说明书开放的所有文件及文献，且所有这样的文件及文献的内容以参考方式并入本文。除非另有直接说明，否则本说明书(包含任何所附权利要求、摘要和附图)中所揭示的所有特征皆可由用于达到相同、等效或类似目的的可替代特征来替换。因此，除非另有明确说明，否则所公开的每一个特征仅是一组等效或类似特征的一个示例。

注意，在使用到的情况下，标志左、右、前、后、顶、底、正、反、顺时针和逆时针仅仅是出于方便的目的所使用的，而并不暗示任何具体的固定方向。事实上，它们被用于反映对象的各个部分之间的相对位置和/或方向。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

注意，在使用到的情况下，进一步地、较优地、更进一步地和更优地是在前述实施例基础上进行另一实施例阐述的简单起头，该进一步地、较优地、更进一步地或更优地后带的内容与前述实施例的结合作为另一实施例的完整构成。在同一实施例后带的若干个进一步地、较优地、更进一步地或更优地设置之间可任意组合的组成又一实施例。

以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。

如上文所描述的，为了解决现有技术中所存在的问题，本发明提供了一种变流器。具体的，请先结合图1来理解本发明的一方面所提供的变流器的电路原理。

首先，本领域技术人员可以理解的是，变流器设置在变压器和用电设备之间，以将变压器的输出经过变化后为用电设备提供符合要求的电流、电压。

出于扩大应用场景的考虑，本发明所提供的变流器主电路集成有多个独立的变流回路，多个变流回路之间并联连接，从而使得各个变流回路能够独立地为对应的用电设备供电。

在本发明的一应用场景中，多个用电设备包括分别驱动各个机车车轴的多个牵引电机。为了能够实现单独控制驱动各个车轴的牵引电机，需要能够实现各个变流回路的单独控制。

在本发明所提供的变流器中，如图1所示出的，各个变流回路通过对应的连接组件103与前端的变压器102连接，以通过各个连接组件的通断独立控制各个变流回路的通断，从而能够实现各个变流回路的单独控制，以实现单独轴控。

需要注意的是，在上述的实施例中，变压器102并非本发明所提供的变流器的一部分，变压器102的前端还包括主断路器101，用以控制变压器102的通断。可以理解的是，上述的主断路器101亦非本发明所提供的变流器的一部分，不应不当地限制本发明的保护范围。

在一实施例中，上述的连接组件为充电短接组件，上述充电短接组件包括并联的充电回路和短接回路，上述充电回路包括串联的第一继电器和充电电阻，上述短接回路包括第二继电器。

在各个变流回路均没有故障的情况下，若需要控制某条变流回路开始工作，可以先控制充电回路的第一继电器闭合，电流经过充电回路，由于充电电阻的存在，能够起到限流的作用，防止上电瞬间由于充电电流过大导致继电器或后端电气元件损坏的问题。当电流趋于稳定后，控制第一继电器断开，闭合作为主继电器的第二继电器，从而使得该变流回路与前端变压器102相连。

而当本发明所提供的变流器中任意一个变流回路中的任意电力元件出现故障，导致该变流回路无法正常工作时，都可以通过断开该变流回路对应的连接组件(在上述的实施例中为第二继电器)来起到断开该变流回路的作用。

由于各个变流支路之间是并联连接的，通过断开对应的连接组件，将故障变流支路切除后，其他的变流支路仍然能够正常工作，不会使整个变流器都陷入断开状态，仍然能够维持部分用电设备的供电，从而降低故障造成的影响。

需要注意的是，充电短接组件仅为连接组件的一种实现方式，本领域技术人员可以根据现有或将有的技术来提供安全、独立控制各个变流回路通断的连接组件。

在如图1所示出的实施例中，若变流器包括三条独立的变流支路，各条变流支路分别为对应的牵引电机供电，在一条变流支路出现故障时，可以通过断开该故障变流支路的连接组件断开整条故障变流支路，保证其余两条变流支路正常工作，也就是说，仍然有两个牵引电机能够得到正常供电，整个动力机车仅损失1/3的动力，大大降低了由于故障所造成的影响。

进一步的，本发明所提供的变流器能够实现独立轴控还体现在，各个变流回路均分别包括整流功率模块、中间回路和逆变功率模块。整流功率模块与变压器102相连，中间模块连接整流功率模块和逆变功率模块，逆变功率模块连接至对应的用电设备。也就是说，构成各条变流回路的电气组件具有功能上的高度集成，能够独立完成变电工作，从而能够实现各条变流回路之间的工作互不相干。

如图1所示出的，整流功率模块为二电平四象限PWM整流器。整流功率模块进一步包括两桥臂的第一整流模块104和三桥臂的第二整流模块105。第一整流模块104的两个桥臂构成整流功率模块的第一相，第二整流模块105的第一桥臂和第二桥臂构成整流功率模块的第二相，第二整流模块105中的第三桥臂用以连接斩波电阻模块，当中间直流电压过压时开通斩波，通过电阻消耗能量抑制过电压。

由于存在多条变流回路的多个整流功率模块，在一优选的实施例中，可以设置将多重四象限整流器互相错开一定的相位角度，从而能够减小对电网的谐波污染，降低直流回路的纹波。

中间回路包括二次谐振回路和支撑电容108。进一步的，二次谐振回路包括二次谐振电感106和二次谐振电容107。二次谐振回路能够用于滤除四象限PWM整流器输出的二次谐波电流，支撑电容108用于直流稳压和储能。

另外，对于本发明所提供的变流器而言，从功能实现的角度上来说，二次谐振电感106为变流器的组成部分之一，而在实际的变流器器件的布置上，二次谐振电感106通常独立于变流器主电路之外分离设置，通过线缆实现与变流器主电路的连接。即使是二次谐振电感与变流器主电路分离的技术方案，若分离的二次谐振电感仍然实现构成中间回路的二次谐振回路，则该技术方案应属于本发明所提供的变流器的保护范围。

上述的逆变功率模块为VVVF逆变器，即可变电压、可变频率逆变器。上述的VVVF逆变器为三桥臂的功率模块109，能够实现可变电压和可变频率，从而能够提供电压、频率可调的交流电为后端的用电设备供电。在一实施例中，本发明所提供的变流器为应用于电力机车的牵引变流器，逆变功率模块能提供电压、频率均可调的交流电实现为牵引电机供电并调速的功能。

在本发明所提供的变流器中，每一支路的变流回路中的功率模块(即第一整流模块104、第二整流模块105、逆变模块109)采用2桥臂+3桥臂+3桥臂的模块方式。在本发明中，变流器额定工况下构成整流器的第一功率模块104和第二功率模块105中的单个IGBT元件的损耗要比构成逆变器的功率模块109中的单个IGBT元件损耗大。另一方面，由于第二功率模块105的斩波桥臂只在变流器中间直流回路过压时偶尔工作，构成整流器的第一功率模块104和第二功率模块105分别有4个IGBT元件长期工作，构成逆变器的功率模块109有6个IGBT元件长期工作，从而使得3个功率模块的损耗相差不大，散热设计简单。

进一步的，在构成各个功率模块的IGBT元件的选型问题上，可以使得各个功率模块中的IGBT元件完全一样，这样能够有效减少变流器内部关键器件的种类，便于管理和采购。

在变流器应用于电力机车的应用场景中，电力机车除了驱动各车轴的牵引电机需要被供电外，还有整车的辅助用电设备同样需要用电。在本发明所提供的变流器的另一实施例中，变流器还包括辅助逆变模块110，使辅助逆变模块110从变流器多条变流回路中的一条或多条回路的中间回路取电，从而能够实现牵引变流器和辅助变流器的集成，从结构上能够使变流器更为紧凑，体现了大功率变流技术高集成的发展方向。

如图1所示出的，辅助逆变模块110的输入端连接第二变流回路的中间回路，经过辅助逆变模块110的转化后，其输出经额外的变压器后给辅助设备供电。需要注意的是，上述额外的变压器并非本发明所提供的变流器的一部分，不应不当地限制本发明的保护范围。

在如图1所示出的实施例中，辅助逆变模块110仅连接在多个变流回路中的任意一个变流回路的中间回路上。辅助逆变模块110与其所在变流回路的逆变模块109之间并联连接。

作为优选的实施例，本发明所提供的变流器中的辅助逆变模块110还可以连接在多个变流回路中的任意多个变流回路的中间回路上。也就是说，多个变流回路中任意多个变流回路的中间回路并联连接至辅助逆变模块110。

由于在本发明所提供的变流器中，在各个变流回路出现故障时，可以通过断开对应的连接组件来实现切除该故障变流回路的功能。若辅助变流模块110仅连接在任意一条变流回路的中间回路上，若辅助变流模块110所在的变流回路出现故障需要被切除时，会使得该辅助逆变模块110同样失去供电。因此，为提高系统的运行稳定性，可以设置使多个变流回路中任意多个变流回路的中间回路并联连接至辅助逆变模块110，这样即便切除了辅助逆变模块110所在多条变流回路中的一条变流回路，仍然能够通过其他变流回路的中间回路为辅助逆变模块110供电，具有冗余性，提高系统可靠性。

至此已经描述了本发明所提供的变流器的主电路的原理。本发明所提供的变流器集成了多个独立工作的变流回路，并且能够实现各个变流回路的独立控制，能够在任意一条变流回路出现故障时保证其余变流回路的正常运行，以有效提高变流器的运行可靠性。当应用于机车牵引时，本发明所提供的变流器还可以集成辅助逆变模块，从而在同一变流器上集成牵引变流和辅助变流功能，扩大变流器的使用范围，使得变流器更为紧凑，体现了大功率变流技术高集成的发展方向。

为了使得本发明所提供的变流器能够被实际应用，本发明的另一部分还提供了上述变流器的布局结构，将上文所描述的变流器的各个模块集成在一个变流器机箱内，从而能够直接应用在各种场景下。请结合图2、图3A、图3B、图4和图5来理解本发明的另一方面所提供的变流器的布局结构。

首先请参考图2，如图2所示出的，通常来说，变流器机箱基本呈现为立方体。另外，机车变流器通常安装在机车的机械间内，机械间中间为走廊，两边为包括变流器在内的各类机车设备。这一安装方式决定了变流器两侧为其它设备，顶面、底面和背面为车体，从而使变流器要尽可能的在正面进行维护。从便于维护的角度出发，希望变流器均向横向发展(图2中的左右方向)，即在深度上没有被前方遮挡的元器件，但这样就会导致变流器占据整个机械间的面积过大。

在变流器体积和重量方面，功率模块与支撑电容有很大的占比。另外，由于电容类元器件的制造技术简单、工艺成熟，现有技术已经能够实现电容类元器件在其生命周期内基本处于免维护的状态。而功率模块由于包含多个频繁工作的IGBT元件，长期工作在高频率、高压和高温环境下，需要经常进行维护。

因此，对于上文提到的变流器主电路结构中的各个变流回路，在变流器布局中，将构成各个变流回路的器件分为包含二次谐振电容和支撑电容的电容单元和其他单元，电容单元由于基本不需要维护，可以将电容单元设置在变流器的后侧，也就是背面，从而能够将各个变流回路拆分为电容单元和其他单元等多个模块，相比与将各个变流回路作为单一模块能够有效降低重量，在不影响维护的情况下，以深度代替宽度，使变流器整体结构更为紧凑。

可以说，在本发明所提供的变流器中，将各个变流回路的电容单元分离出来单独设置在变流器机箱的后侧，从而给其他单元留下充分的前侧便于维护的空间。

具体的，在本发明所提供的变流器中，变流器的前侧设置有连接单元和多个变流回路的功率单元，连接单元包括多个连接组件(对应图1中的连接组件103)，各个变流回路通过对应的连接组件与外部变压器相连，并独立地为对应的外部用电设备供电。

由于电容单元设置在变流器的后侧，多个功率单元与多个电容单元之间通过位于变流器中间的直流母排进行连接。由于直流母排的制造技术简单、工艺成熟，现有技术也能够实现直流母排在其生命周期内基本处于免维护的状态，因此，可以设置在变流器的中间，以在使变流器结构紧凑的同时便于各个单元之间的连接。

变流器的前侧还设置有控制单元，控制单元控制各个连接组件的通断，以控制各个变流回路的通断。进一步的，本领域技术人员可以理解，上述的控制单元为DCU机箱，用以对变流器内部各开关、器件的动作进行控制、检测。有别于变流器的其他单元均为高压单元，上述的控制单元为低压单元。

进一步的，控制单元还包括可装卸的前挡板(图2中的前挡板202)，控制单元的前挡板构成变流器的前挡板的一部分。由于控制单元为低压单元，因此，希望其能够与其他高压单元区分开。并且通过将整个变流器的前挡板根据各个模块单元拆分为多个部分，能够在特定的模块需要检修维护时，通过单独拆卸对应的前挡板即可以实现，维护更为便捷。如图2所示出的，整个变流器的前挡板可以分为前挡板202-204。其中，前挡板203-204对应的是变流器的各个功率单元和连接单元。本领域技术人员可以通过例如螺栓的各种安装连接组件来实现挡板的可装卸。

与前挡板类似的是，本发明所提供的变流器的后挡板也对应于各个电容单元拆分为多个部分，如图5所示出的，电容单元还包括可装卸的后挡板221，各个电容单元的后挡板221构成变流器的后挡板。虽然电容单元通常可以免于维护，但在电容单元确实需要维护的时候，可以将整个变流器从机械间取出，并从后部通过将对应的后挡板拆卸的方法方便维护。

变流器内设置有包含风冷散热系统和液冷散热系统的双散热系统。可以理解的而是，液冷散热系统具有高效散热、静音等特点，但对于一些无法通过液冷散热系统进行散热的部件，希望通过风冷散热系统来进行补充散热。因此，本发明所提供的变流器内部设置有双散热系统来保证整个变流器的散热效率。

风冷散热系统的风机(图3A中的散热风机219)设置在变流器的前侧，以从变流器的前侧吸取热风并排向变流器的后侧。液冷散热系统的主管路设置在变流器中间，主管路的输入接口与输出接口均设置在变流器的侧方(图3B中的液冷系统222)。进一步的，液冷散热系统还包括多个分支管路，各个分支管路分别连接各个功率单元。从而能够有针对性地对产生大量热量的功率单元进行散热。

对于各个变流回路的功率单元，各个变流回路的功率单元分别包括第一整流模块(对应图1中的第一整流模块104)、第二整流模块(对应图1中的第二整流模块105)和逆变模块(对应图1中的逆变模块109)，同一功率单元内的第一整流模块、第二整流模块和逆变模块通过直流母排连接。

如上文所描述的，第一整流模块为两桥臂的功率模块，第二整流模块为三桥臂的功率模块，第一整流模块的两个桥臂构成整流器的第一相，第二整流模块的第一桥臂和第二桥臂构成整流器的第二相，第二整流模块中的第三桥臂用以连接斩波电阻模块。在本发明所提供的变流器机箱内，在内部机箱空间有应予的情况下，斩波电阻模块能够被设置在变流器机箱内部。

逆变模块为三桥臂的功率模块。为了方便管理，构成各个第一整流模块、第二整流模块和逆变模块的IGBT元件为相同型号。

如上文所描述的，外部用电设备包括分别驱动各个机车车轴的多个牵引电机。在另一优选的实施例中，本发明所提供的变流器还集成了辅助变流器的功能，因此，外部用电设备还包括辅助用电设备，变流器还包括为辅助用电设备供电的辅助逆变功率单元，辅助逆变功率单元设置在变流器的前侧，辅助逆变功率单元通过直流母排与任意一个或多个变流回路的电容单元相连。

变流器还包括设置在变流器前侧的接线单元，连接组件通过接线单元与外部变压器相连，逆变模块的输出通过接线单元连接至外部用电设备。

以下将结合图2-图5来具体描述一应用于电力机车的集成牵引变流器和辅助变流器的变流器具体结构，并且，该变流器集成了三重变流回路。其中图2示出了本发明的一方面所提供的变流器外部结构的主视图。图3A、3B为变流器内部结构的主视图。图4为变流器内部结构的后视图。图5为变流器外部结构的后视图。

本发明的一方面所提供的变流器的结构特点是所有高压电气接线与低压电气接线分离，减少了系统的电磁干扰、线路间的涡流现象和发热问题。采用液冷散热系统+风冷内循环散热系统的双散热系统，保证散热效果。液冷散热系统对变流器主要发热器件进行散热，风冷内循环散热系统对变流器其他无法使用液冷散热的器件进行散热，有效提高系统的冷却效率，有效降低变流器温升。本发明所提供的变流器，其内部所有部件采用模块化、统型化设计，便于生产、组装及维护。基于上述说明，本变流器具体实施方式：

如图2、5所示，本发明所提供的变流器在外部结构上主要包括柜体201、前挡板202-204共5张和四张后挡板221。

如图3A、3B、4所示，变流器在内部结构上包括：3个整流器斩波模块(即第二整流模块205)、3个整流器模块(即第一整流模块206)、3个牵引逆变器模块(即逆变模块207)、辅助逆变模块208、DCU机箱(即控制单元209)、分布在两处的电流传感组件210、电压传感器组件211、斩波电阻212、固定放电电阻213、充电电阻214、输入和输出端口215、直流母线216、交流母线217、接触器218、散热风机219、电容单元220、水冷系统222。

第一整流模块206、第二整流模块205和逆变模块207的数量关联于变流器中包含的变流回路的数量，虽在本实施例和附图中表示为3重，但本领域技术人员可以根据本发明所公开的技术方案调整变流回路的数量，并适应性地调整其他单元组件与第一整流模块206、第二整流模块205和逆变模块207之间的布局。

变流器柜体通过中横梁223(共3个)、顶横梁224(共2个)、前竖梁225、前竖梁226(共3个)、前竖梁227、后竖梁228(共5个)、后横梁229、底架230、左侧板231、右侧板232、隔板233、风道隔板234(共2个)、辅变腔隔板235、接线板236、顶板237(共2块)、控制单元腔238、斩波电阻腔239、模块安装梁240(共14个)焊接而成。

本发明所提供的变流器通过垂向(垂直方向或竖直方向)的短螺栓和背面顶端的横向螺栓安装在机车车辆的车架上面，它由柜体、整流模块、整流斩波模块、牵引逆变器模块、辅助逆变器模块、DCU机箱、斩波电阻、散热风机、接触器、电流传感器、电压传感器、功率电阻组件、直流铜母线、交流铜母线等组成。变流器柜体包括框架结构、底架、顶板、侧板、隔板、接线板、控制箱安装板等组成。通过两根横梁(底架横梁和顶横梁)和五根竖梁将变流器分为四个腔体，从左到右分别为左腔体(包含前挡板202、203)、中一腔体、中二腔体和右腔体(分别对应一个前挡板204)，其中，上述的“左”、“右”请参考图2中的左右方向，为相对方向，不应构成不当限制。

左腔体分为上下两个单元，分别为控制箱单元和连接件单元。中一腔体分为上下三个单元，分为放置散热风机的内循环单元、对应一重变流支路的功率单元(集成了第一整流模块、第二整流模块和牵引逆变模块)和一个接线单元。中二腔体分为上下三个单元，分为放置辅助逆变模块的辅变单元、对应一重变流支路的功率单元(集成了第一整流模块、第二整流模块和牵引逆变模块)和一个接线单元。右边腔体分为上下三个单元，分别为一个放置斩波电阻的斩波电阻单元、对应一重变流支路的功率单元(集成了第一整流模块、第二整流模块和牵引逆变模块)和一个接线单元。其中，上述的“上”、“下”请参考图2中的方向，为相对方向，不应构成不当限制。

所有隔板与模块、直流母线216将变流器分成前后两部分，同时形成完整风道，引导变流器内部经风冷散热系统形成的内循环风的分布，后部主要放置二次谐振电容、支撑电容和布置线缆。底部接线板横跨三个腔体，也就是说三个接线单元实则上为一个整体。其中，上述的“前”、“后”请参考图2中的方向，为相对方向，不应构成不当限制。

包含三个第一整流模块206、三个第二整流模块205、三个逆变模块207和一个辅助逆变模块208的十个变流器模块(可以根据需要提供供电的电力机车的轴数进行扩展设计)分别安装在中一腔体、中二腔体和右腔体里。变流器模块通过导轨及挡板固定在柜体上，导轨有利用模块的安装与拆卸，模块与支撑电容分离，将低模块重量，提高可维护性。

一个整流斩波模块(即第二整流模块205)、一个第一整流模块206和一个逆变模块207组成一个变流支路中模块化的功率单元，三个功率单元均匀分布在变流器中一腔体、中二腔体和右腔体的中部单元。辅助逆变模块208分布在中二腔体的上部单元，辅助逆变模块208亦可以分布在中一腔体或右腔体的上部单元。对于构成第一整流模块205、第二整流模块206和逆变模块207的IGBT元件的器件型号相同，便于设计和采购。

直流母线216和交流母线217通过螺栓固定在绝缘子上，绝缘子的材料采用环氧布板。输入输出端口215中的输入接线端子与连接组件中的接触器218的输入通过电缆连接，第一整流模块、第二整流的输入与接触器的输出通过交流母线217及电缆相连。直流母线216连接第一整流模块、第二整流模块与逆变模块，逆变模块与输入输出端口215中的输出接线端子通过交流母线217相连。

为了便于变流器的对外接线、安装拆卸，在柜体的下部焊接了一个接线板236，即对应横跨三个腔体的接线单元。所有对外接口(包括输入输出端口215中的输入接线端子、输出接线端子和放电端子)均在此接线板上进行操作。电流传感组件210中的电机电流传感器、输入电流传感器以及辅助模块电流传感器均放置在该接线板上。

DCU机箱(即控制单元209)通过螺栓固定在DCU腔体的安装板上，其底部通过两个支撑折弯板支撑。电压传感器组件211通过螺栓固定在中二腔体的上部单元。连接组件中的各个接触器(包括第一继电器和第二继电器)在DCU腔体下面，通过螺栓安装固定在骨架上面。

斩波电阻212通过螺栓固定在变流器右腔体上部单元，从而实现自然冷却。固定放电电阻213通过螺栓固定在风冷散热系统的散热器上，散热器通过螺栓固定在变流器中一腔体上部单元，散热器翅片通过内循环风进行散热。产生内循环风的散热风机219通过螺栓固定在变流器中一腔体上部单元，对柜内空气进行内部循环散热。连接组件中的充电电阻214通过螺母固定在变流器中二腔体的上部单元。电容单元220中的二次谐振电容器和支撑电容器放置在变流器后部。

对于上段所描述的斩波电阻212，根据前文的描述，其与第二整流模块的第三桥臂组成斩波回路，当中间直流电压过压时开通斩波，通过电阻消耗能量抑制过电压。另外，若变流器机箱内部的部件不足，上述的斩波电阻在结构上可以设置在变流器机箱外部。

对于前文所描述的固定放电电阻213，本领域技术人员可以理解的是，固定放电电阻213在电路连接关系上是与变流器中间回路的支撑电容相并联的。固定放电电阻213是为了在检修时将支撑电容130的多余电量泄放，起到安全操作的作用。固定放电电阻213的阻值很大，放电时间较长，但也正是由于固定放电电阻的阻值很大，使得即使整个变流器电路中存在固定放电电阻，亦不会引起较大的损耗。另外，若变流器机箱内部的部件不足，上述的固定放电电阻在结构上可以设置在变流器机箱外部。

对于前文所描述的充电电阻214，如前文所描述的，连接组件为充电短接组件，充电短接组件包括并联的充电回路和短接回路，上述充电回路包括串联的第一继电器和充电电阻214，上述短接回路包括第二继电器。在各个变流回路均没有故障的情况下，若需要控制某条变流回路开始工作，可以先控制充电回路的第一继电器闭合，电流经过充电回路，由于充电电阻214的存在，能够起到限流的作用，防止上电瞬间由于充电电流过大导致继电器或后端电气元件损坏的问题。当电流趋于稳定后，控制第一继电器断开，闭合作为主继电器的第二继电器，从而使得该变流回路与前端变压器相连。

需要注意的是，在另一实施例中，还可以选择将风冷散热系统布置在中二腔体的上部单元，从而使得整个风冷散热系统在多个变流支路的功率单元之间居中设置，以强化散热效率。

对于双散热系统，在变流器柜体上，散热风机219从柜体前部吸风，向柜体后部吹出去，对柜内空气进行内部循环散热。液冷系统222通过螺栓固定在变流器柜体上，在各主水管上有十个分路支管(对应前述的十个变流器模块)，通过软管连接各功率模块，向各个功率模块提供冷却介质。液冷系统222还包括水温和水压检测单元，用于液冷系统222的保护。控制单元209若检测到过压或高温现象，将会及时降低变流器的功率或封锁变流器，以保障系统安全。

本发明中的对应变流支路的功率单元已实现模块化，集成了整流、逆变和斩波功能，也很方便安装和拆卸。变流器前部四个腔体采用“门锁”结构，每个腔体都有一个“门”(即前挡板202-204)，后部亦对应腔体设置有多个可以装卸的后挡板221，不仅能够防水防尘，而且使得部件的安装、维护、拆卸更加方便。

综上已经描述了本发明所提供的变流器。本发明所提供的变流器采用的电路为独立轴控，提高产品运行可靠性。单个机箱内集成了多重独立回路(不以三重为限)，多重回路独立控制，关键插件全冗余，提高变流器的可靠性。单个独立变流回路的功率单元与电容单元分离，电容单元设置在变流器的后方，从而降低模块重量，提高可维护性。各个功率单元集成了整流器、逆变器和斩波器功能，符合大功率变流技术高集成的发展方向。作为牵引变流器，其内部还集成了辅助逆变模块。通过将牵引变流器和辅助变流器集成在一个变流器柜体内，不仅减少了设计人员的设计成本，还减少了单独设计辅助变流器柜的物料成本，并且符合大功率变流技术高集成的发展方向。为了提高整个变流器柜内部的散热效率，本发明所提供的变流器采用了液冷系统+风冷系统的双散热系统模块进行冷却，保证整个变流器的散热效果。

提供之前的描述是为了使本领域中的任何技术人员均能够实践本文中所描述的各种方面。但是应该理解，本发明的保护范围应当以所附权利要求书为准，而不应被限定于以上所解说实施例的具体结构和组件。本领域技术人员在本发明的精神和范围内，可以对各实施例进行各种变动和修改，这些变动和修改也落在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种变流器，其特征在于，所述变流器的前侧设置有连接单元和多个变流回路的功率单元，所述连接单元包括多个连接组件，各个变流回路通过对应的连接组件与外部变压器相连，并独立地为对应的外部用电设备供电；

所述变流器的后侧设置有多个变流回路的电容单元，多个功率单元与多个电容单元之间通过位于所述变流器中间的直流母排连接。

2.如权利要求1所述的变流器，其特征在于，所述变流器的前侧还设置有控制单元，所述控制单元控制各个连接组件的通断，以控制各个变流回路的通断。

3.如权利要求2所述的变流器，其特征在于，所述控制单元还包括可装卸的前挡板，所述控制单元的前挡板构成所述变流器的前挡板的一部分。

4.如权利要求1所述的变流器，其特征在于，所述变流器内设置有包含风冷散热系统和液冷散热系统的双散热系统。

5.如权利要求4所述的变流器，其特征在于，所述风冷散热系统的风机设置在所述变流器的前侧，以从所述变流器的前侧吸取热风并排向所述变流器的后侧。

6.如权利要求4所述的变流器，其特征在于，所述液冷散热系统的主管路设置在所述变流器中间，所述主管路的输入接口与输出接口均设置在所述变流器的侧方。

7.如权利要求6所述的变流器，其特征在于，所述液冷散热系统还包括多个分支管路，各个分支管路分别连接各个功率单元。

8.如权利要求1所述的变流器，其特征在于，各个变流回路的电容单元包括支撑电容模块和构成二次谐振回路的二次谐振电容模块。

9.如权利要求1所述的变流器，其特征在于，各个功率单元和所述连接单元分别包括可装卸的前挡板，各个功率单元和所述连接单元的前挡板构成所述变流器的前挡板的一部分；和/或

各个电容单元还包括可装卸的后挡板，各个电容单元的后挡板构成所述变流器的后挡板。

10.如权利要求1-9中任意一项所述的变流器，其特征在于，各个变流回路的功率单元分别包括第一整流模块、第二整流模块和逆变模块，同一功率单元内的第一整流模块、第二整流模块和逆变模块通过所述直流母排连接。

11.如权利要求10所述的变流器，其特征在于，所述第一整流模块为两桥臂的功率模块，所述第二整流模块为三桥臂的功率模块，所述第一整流模块的两个桥臂构成整流器的第一相，所述第二整流模块的第一桥臂和第二桥臂构成所述整流器的第二相，所述第二整流模块中的第三桥臂用以连接斩波电阻模块。

12.如权利要求10所述的变流器，其特征在于，所述逆变模块为三桥臂的功率模块。

13.如权利要求10所述的变流器，其特征在于，构成各个第一整流模块、第二整流模块和逆变模块的IGBT元件为相同型号。

14.如权利要求10所述的变流器，其特征在于，所述外部用电设备包括分别驱动各个机车车轴的多个牵引电机。

15.如权利要求14所述的变流器，其特征在于，所述外部用电设备还包括辅助用电设备，所述变流器还包括为所述辅助用电设备供电的辅助逆变功率单元，所述辅助逆变功率单元设置在所述变流器的前侧，所述辅助逆变功率单元通过所述直流母排与任意一个或多个变流回路的电容单元相连。

16.如权利要求10所述的变流器，其特征在于，所述变流器还包括设置在变流器前侧的接线单元，所述连接组件通过所述接线单元与所述外部变压器相连，所述逆变模块的输出通过所述接线单元连接至所述外部用电设备。

Images