CN1925289A - 高压变频标准换流功率单元 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种高压变频标准换流功率单元，它包括壳体、功能器件、控制板、电容阵列和散热器，电容阵列组立式布置于单元底部，散热器立式布于电容阵列上方的一侧，另一侧布置控制板，在控制板与功率器件之间设置屏蔽板，功率器件布置于散热器表面，需要连接的部分之间通过铜带进行电气连接。本发明重要的电气特性是：具有高等级的电磁兼容性能，能够在工业严酷等级的电快速脉冲群、静电放电、射频场的电磁环境条件下正常运行。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种电力电子换流装置，具体地说是一种用于多电平单元串联电压源型的高压变频器中用于实现功率变换的系统，工程中称为换流功率单元。
(二)背景技术
我国的电机设计理念与技术50年代学自苏联，在工业设计上留有很大的余量，系统运行时电能利用率低。在电力市场对应用高压变频器的节能具有了很大的需求。
据国家《电动机调速技术产业化途径与对策的研究》报告中，中国发电量总量的66％消耗在电动机上。而中国目前电动机总装机容量已超过40万兆瓦，高压电机约占一半，高压电机中近70％拖动的负载是风机、泵类、压缩机，其中一半适合调速，即有约7.5万兆瓦的高压电机处在浪费运行的状态。
在变频器中，最关键的器件是高压大功率可关断器件IGBT(绝缘门极双极型晶体管)，在国内不能生产，在全世界范围内，只有德国英飞凌下属的EUPEC子公司和日本三菱公司生产。由于各国间的高科技限制，就举例对于中国高科技进口产品管制较松的德国而言，根据《eupec IGBT应用指南》所注明：除FF200R33KF2C外，所有EUPEC IHV，电压大于2500V耐压的IGBT模块，均受欧洲出口限制，需办理最终用途说明，不能用于军事目的。
由于IGBT型号的限制，在国内的高压变频器只有采用多电平单元串联电压源型原理结构进行研发和制作。电压等级是3kV，需用9个功率换流单元，电压等级是6kV，需用18个功率换流单元，电压等级是10kV，需用27个功率换流单元。变频器的电压等级越高，则换流单元的数量就相应增加。
对应不同的电压等级的变频器中的功率单元来说，虽然在不同等级的变频器中每个换流功率单元的电压等级和输出功率没有改变。但是功率单元的电磁运行环境却变得越来越来越恶劣。随着总电压等级和总输出功率的提高，每个标准功率单元内部干扰能量的空间分布加大、时间分布非周期性加强、干扰频率的频谱带宽增加、发射干扰源增多等不利因素相应增加，其严酷的电磁兼容环境严重影响功率换流单元正常运行，使高压变频器的性能下降和稳定性降低。
在目前，对于多电压单元串联电压源型原理的高压变频器中，在国际和国内，对于其功率换流单元均注重的是功率和散热，没有专门针对于电磁兼容性和标准化的技术方案。
(三)发明内容
本发明的目的是提供一种具有高等级电磁兼容性能的高压变频标准换流功率单元。
本发明的目的是这样实现的：它包括壳体、功能器件、控制板20、电容阵列和散热器，电容阵列组立式布置于单元底部，散热器立式布于电容阵列上方的一侧，另一侧布置控制板，在控制板与功率器件之间设置屏蔽板，功率器件布置于散热器表面，需要连接的部分之间通过铜带进行电气连接。
本发明的具体的元件为：输入部分包括工频交流电源接入端1，控制回路包括控制回路保险2、隔离电源变压器3、主控板4、整流桥5和扼流环6；主回路包括主回路保险7、全桥二极管8、电容阵列9、电容均压板10、扼流环11、铜带12、晶闸管13、IGBT14和散热器15；壳体为U型壳体16。
电气连接方法是：工频交流电源(1)接入主回路保险(7)和控制回路保险(2)，从主回路保险(7)接入全桥二极管(8)，二极管输出正极的电缆通过扼流环(11)接入电容阵列(9)正极，二极管负极通过电缆接入电容阵列(9)负极，电容阵列正负通过铜带(12)连到IGBT(14)，IGBT(14)输出通过铜带(12)连到输出端子，另一路通过扼流环(6)连到整流桥(5)，从整流桥(5)到晶闸管(13)，控制回路保险(2)接入隔离电源变压器(3)，隔离电源变压器(3)二次侧接入主控板(4)供电端。主控板(4)输出IGBT驱动(15)到IGBT(14)，输出晶闸管驱动到晶闸管(13)，电容阵列(9)中的电容接入电容均压板(10)，并在电容均压板(10)接入主控板(4)。
结构安装方式是：整流桥(5)，IGBT(14)，晶闸管(13)和全桥二极管(8)旁通扼流环(11)安装于散热器(15)表面。电容均压板(10)安装于电容阵列(9)侧面。主控板(4)安装于屏蔽板(17)表面。散热器(15)、电容阵列(9)、屏蔽板(17)、工频交流电源接入端(1)，控制回路保险(2)、隔离电源变压器(3)、扼流环(6)、主回路保险(7)、铜带(12)和侧板(18)均装于U型壳体(16)上。
本发明重要的电气特性是：“具有高等级的电磁兼容性能，能够在工业严酷等级的电快速脉冲群、静电放电、射频场的电磁环境条件下正常运行。”
本发明还包括以下一些结构特征：
1.主回路器件采用相对位置布置结构，包括主控板4、电容阵列9、散热器和屏蔽板，电容阵列9在底部，散热器固定于左侧部，主控板4固定于右侧部，屏蔽板17在散热器15与主控板4的中间。
2.主回路的电容阵列9采用6个400V/4700uF铝电解电容，三串两并，用支架固定。
3.散热器15采用型材45DQ230加工而成，两侧切面设置有加工丝孔，功率器件在表面横列安装，用螺丝固定于壳体侧面。
4.U形壳体(16)，它是采用普通1.5mm镀锌板制成，内部长度与散热器(15)长度一致。在底部加工电容阵列(9)固定孔，两侧加工散热器(15)、屏蔽板(17)、工频交流电源接入端(1)，控制回路保险(2)、隔离电源变压器(3)、扼流环(6)、主回路保险(7)、铜带(12)和侧板(18)的固定孔。
5.屏蔽板(17)是采用普通1.5mm镀锌板制成，在中间对应于IGBT(14)的位置加工有直径24mm的过孔，在朝向主控板(4)内侧有一层0.2mm的绝缘板。
6.铜带(12)采用1.0铜紫铜板加工后镀锡制作，总计5根。是IBGT输出1、IBGT输出2、电容正极连接、电容负极连接、电容串联连接。
7.功率器件安装位置是：在散热器(15)表面用螺丝固定，从前到后是整流桥(5)、晶闸管(13)、旁通扼流环(11)、IGBT(14)和全桥二极管(8)，呈纵向结构，先整流，后H桥逆变。
8.铜带连接结构，在根扰的曲折结构或人字形结构，IGBT输出1、IGBT输出2铜带采用三个绝缘子与U型壳体(16)形成的三点固定结构，其中两个装在U形壳体(16)前侧，一个装于IGBT输出1、IBGT输出2铜带之间。
9.散热结构，散热器(15)后侧肋片和侧板(18)后侧形成主风道结构，散热器(15)表面、屏蔽板(17)后侧和侧板(18)顶侧形成副风道结构。
10.电气连接中，其IGBT(14)驱动回路连接是从主控板(4)和屏蔽板(17)共同构成的驱动线过孔进行布线，可以达到从主控板(4)到IGBT(14)驱动的电气连接线的长度为最短。
11.扼流环采用国产C型铁氧体的二块并列，在上绕制有二圈线缆制成。
本发明包括以下电气特征：
1.将三相工频交流电通过六相桥式整流二极管变换为直流，输出二相频率受控的PWM电压波形的电压源型换流功率系统，在中间加入保险进行过流与短路保护。
2.变换输出的直流通过一个扼流环进入电容阵列组进行平波与储能；
3.四个电压等级是1700V的IGBT组成一个H桥逆变回路，将电容阵列中储存的直流转转成可调PWM波形；
4.PWM波通铜带接到端子，在中间并联一个整流桥与可控硅，实现旁通功能；在铜带与整流桥中串入一个扼流环；
5.IGBT的开断控制和旁通可硅的导通控制通过主控板实现。
6.在输入六相桥式整流二极管输出加CJE专用电容，与扼流环构成输入谐波吸收系统；在IGBT与电容连接入加入CJE专用电容，吸收IGBT关断的冲击；
7.主控板安装于屏蔽板了，屏蔽板是独创的半包围结构，能在单元整体恶劣的电磁环境中，为主控板屏蔽出一个相对洁静的电磁空间；
8.IGBT输出的PWM电压波形功率铜带和电容连接铜带，都采用单回路对称平行结构，使其围起的电磁空间最小，对外部的电磁干扰小。
本发明的独有优点有：
1、独创的器件相对位置排列结构：即“电容阵列组立式布置于单元底部，散热器立式布于侧面，另一侧面布置控制板，在控制板与功率器件之间布置屏蔽板。功率器件布置于散热器表面，使用铜带进行电气连接。
2、高等级的电磁兼容性能：通过创新型电气、电子、结构的技术方案，使本发明“具有高等级的电磁兼容性能，能够在工业严酷等级的电快速脉冲群、静电放电、射频场的电磁环境条件下正常运行。
3、稳定的U形框架结构：U形壳体16是用一张镀锌板制作的U形的铁板框架，散热器15的两端分别加工出安装孔，U形壳体在前后侧加工出散热器安装孔，当散热器15与U形壳体16用螺丝压紧后，即形成了一个稳定的框架结构，具有极强的抗变形能力，独创的结构可将所有元件全部固定于U形壳体16上，在较宽松的工艺安装环境下即可达到较高的安装精度；
4、IGBT输出铜带采用独创的曲折结构：对电容与IGBT连接铜带采用中间绝缘板隔高的人字形层叠结构。其回路围起面积最小，正负回路相互对应，发射电磁干扰的能力减小，同时其接收干扰的能力也减小；
5、洁净电磁空间：主控板是标准功率单元的核心，也是对电磁环境要求最严的地方，采用特制的屏蔽板，结合U形壳体，在主控板周围形成电磁屏蔽空间，将电磁干扰最强烈的内部铜带结构全部屏蔽，保持功率变换单元内核心控制系统处于安全的电磁兼容环境下；
6、最短IGBT驱动布线距离：IGBT驱动的信号是属于电平驱动，其电压低，且驱动电流极小，故极易受干扰，而驱动信号是单元运行的基准，故其要求从驱动器到IGBT驱动端子距离要短，且尽量避免与大电流回路并行，创建空间独立布线结构，IGBT驱动回路从主控板专设的过线孔进行布线，不但距离最短，且不与主回路铜带并行，符合电磁兼容对其最高的标准。
7、单元内的双风道系统：屏蔽板、散热器表面、U形壳体形成了一个箱形结构，在后侧开出通风孔，与前侧进线孔形成了副风道结构，用于散热器表面功率器件的外壳温度与电容阵列的散热，散热器的肋片形成主风道，前侧进风，后侧出风。用于对功率器件的基底传导过的热量进行散热降温。保持功率器件在额定温度范围内正常运行。
8、高标准性：高压变频标准换流功率单元全部完成，可以保证在不进行任可更改的情况下，直接用其组成多种电压等级的高压变频器。
附录：电磁兼容试验参数
1、具体的电磁兼容测试项目：
电快速瞬变脉冲群抗扰度测试；静电放电抗扰度测试；射频电磁场辐射抗扰度测试；
2、电快速瞬变脉冲群抗扰度测试数据：
| 电快速瞬变脉冲群 | |||||
| 序号 | 等级 | 电压 | 频率 | 时间 | 单元状态 |
| 1 | 2 | 1.0KV | 5KHz | 300s | 正常运行 |
| 2 | 3 | 2.0KV | 5KHz | 300s | 正常运行 |
| 3 | 4 | 3.0KV | 2.5KHz | 30s | 正常运行 |
| 6 | 4 | 4.0KV | 2.5KHz | 300s | 正常运行 |
| 8 | 4 | 4.0KV | 5KHz | 60s | 正常运行 |
| 9 | 4 | 4.0KV | 5KHz | 300s | 正常运行 |
3、静电放电测试数据：
| 静电放电 | |||||
| 序号 | 等级 | 试验电压 | 放电类型 | 位置 | 单元状态 |
| 1 | 1 | 2.0KV | 接触放电 | 四角 | 正常运行 |
| 2 | 2 | 4.0KV | 接触放电 | 四角 | 正常运行 |
| 3 | 3 | 6.0KV | 接触放电 | 四角 | 正常运行 |
| 4 | 4 | 8.0KV | 接触放电 | 四角 | 正常运行 |
| 5 | 4 | 8.0KV | 接触放电 | 外壳中心 | 正常运行 |
| 6 | 1 | 2.0KV | 空气放电 | 四角 | 正常运行 |
| 7 | 2 | 4.0KV | 空气放电 | 四角 | 正常运行 |
| 8 | 3 | 8.0KV | 空气放电 | 四角 | 正常运行 |
| 9 | 4 | 15KV | 空气放电 | 四角 | 正常运行 运行灯亮度波动 |
| 10 | 4 | 15KV | 空气放电 | 外壳中心 | 正常运行 |
4、射频电磁场辐射抗扰度试验：
射频电磁场辐射抗扰度测试8M频率，等级3，试验场强10V/m，设定时间为30分钟。在测试时将高压变频标准换流功率单元处于最高频率输出状态。
在一个小时后，重新进入电磁兼容试验室，高压变频标准换流功率单元的状态指示与测试小箱面板数据，高压变频标准换流功率单元射频电磁场辐射环境测试环境中工作正常。
(四)附图说明
图1是本发明高压变频标准换流功率单元的创新型电气、电子、结构的技术方案图。
图2是本发明高压变频标准换流功率单元原理图；
图3是本发明高压变频标准换流功率单元的U形壳体结构图；
图4是本发明高压变频标准换流功率单元的内部铜带结构图。
图5是本发明高压变频标准换流功率单元的组装完成图。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明作更详细的描述：
结合附图1，是本发明的重点是创新型电气、电子、结构的技术方案，即“电容阵列组立式布置于单元底部，散热器立式布于侧面，另一侧面布置控制板，在控制板与功率器件之间布置屏蔽板。功率器件布置于散热器表面，使用铜带进行电气连接。
结合附图2，是本发明的原理接线图，其是工频交流电源(1)接入主回路保险(7)和控制回路保险(2)，从主回路保险(7)接入全桥二极管(8)，二极管输出正极的电缆通过扼流环(11)接入电容阵列(9)正极，二极管负极通过电缆接入电容阵列(9)负极，电容阵列正负通过铜带(12)连到IGBT(14)，IGBT(14)输出通过铜带(12)连到输出端子，另一路通过扼流环(6)连到整流桥(5)，从整流桥(5)到晶闸管(13)，控制回路保险(2)接入隔离电源变压器(3)，隔离电源变压器(3)二次侧接入主控板(4)供电端。主控板(4)输出IGBT驱动(15)到IGBT(14)，输出晶闸管驱动到晶闸管(13)，电容阵列(9)中的电容接入电容均压板(10)，并在电容均压板(10)接入主控板(4)。
结合附图3，是本发明的U形壳体(16)，它是采用普通1.5mm镀锌板制成，内部长度与散热器(15)长度一致。在底部加工电容阵列(9)固定孔，两侧加工散热器(15)、屏蔽板(17)、工频交流电源接入端(1)，控制回路保险(2)、隔离电源变压器(3)、扼流环(6)、主回路保险(7)、铜带(12)和侧板(18)的固定孔。独创的U形结构具有散热器配套的框架固定结构，具有极强的抗变形能力，可将所有元件全部固定于其上，在较宽松的工艺安装环境下即可达到较高的安装精度。
结合附图4，是本发明的连接铜带结构，其铜带12采用1.0铜紫铜板加工后镀锡，又分为两种结构，一个是二根铜带组成的IBGT输出的曲折结构，另一个是二根铜带组成的人字形结构，其正负回路相互对应，其回路围起面积最小，发射电磁干扰的能力减小，同时其接收干扰的能力也减小。
结合附图5，是本发明进行结构安装，整流桥(5)，IGBT(14)，晶闸管(13)和全桥二极管(8)旁通扼流环(11)安装于散热器(15)表面。电容均压板(10)安装于电容阵列(9)侧面。主控板(4)安装于屏蔽板(17)表面。散热器(15)、电容阵列(9)、屏蔽板(17)、工频交流电源接入端(1)，控制回路保险(2)、隔离电源变压器(3)、扼流环(6)、主回路保险(7)、均装于U型壳体(16)上。铜带(12)按附图3的结构形式进行组装，最后将侧板(18)组装。其控制部份空间具有高抗电磁干扰的结构外形。主控板是标准功率单元的核心，也是对电磁环境要求最严的地方，采用特制的屏蔽板，结合U形壳体，在主控板周围形成电磁屏蔽空间，将电磁干扰最强烈的内部铜带结构全部屏蔽，保持功率变换单元内核心控制系统处于安全的电磁兼容环境下。IGBT驱动的信号是属于电平驱动，其电压低，且驱动电流极小，故极易受干扰。而驱动信号是单元运行的基准，故其要求从驱动器到IGBT驱动端子距离要短，且尽量避免与大电流回路并行。
根据以上要求，在本发明中，创建空间独立布线结构，IGBT驱动回路从主控板专设的过线孔进行布线，不但距离最短，且不与主回路铜带并行，符合电磁兼容对其最高的标准。
Claims (10)
1、一种高压变频标准换流功率单元，它包括壳体、功能器件、控制板、电容阵列和散热器，其特征是：电容阵列组立式布置于单元底部，散热器立式布于电容阵列上方的一侧，另一侧布置控制板，在控制板与功率器件之间设置屏蔽板，功率器件布置于散热器表面，需要连接的部分之间通过铜带进行电气连接。
2、根据权利要求1所述的高压变频标准换流功率单元，其特征是：
元件组成为：输入部分包括工频交流电源接入端1，控制回路包括控制回路保险(2)、隔离电源变压器(3)、主控板(4)、整流桥(5)和扼流环(6)；主回路包括主回路保险(7)、全桥二极管(8)、电容阵列(9)、电容均压板(10)、扼流环(11)、铜带(12)、晶闸管(13)、IGBT(14)和散热器(15)；
电气连接方法是：工频交流电源(1)接入主回路保险(7)和控制回路保险(2)，从主回路保险(7)接入全桥二极管(8)，二极管输出正极的电缆通过扼流环(11)接入电容阵列(9)正极，二极管负极通过电缆接入电容阵列(9)负极，电容阵列正负通过铜带(12)连到IGBT(14)，IGBT(14)输出通过铜带(12)连到输出端子，另一路通过扼流环(6)连到整流桥(5)，从整流桥(5)到晶闸管(13)，控制回路保险(2)接入隔离电源变压器(3)，隔离电源变压器(3)二次侧接入主控板(4)供电端。主控板(4)输出IGBT驱动(15)到IGBT(14)，输出晶闸管驱动到晶闸管(13)，电容阵列(9)中的电容接入电容均压板(10)，并在电容均压板(10)接入主控板(4)。
3、根据权利要求1或2所述的高压变频标准换流功率单元，其特征是：壳体为U型壳体(16)。
4、根据权利要求3所述的高压变频标准换流功率单元，其特征是：电容阵列(9)是采用6个400V/4700uF铝电解电容，三串两并，用支架固定。
5、根据权利要求4所述的高压变频标准换流功率单元，其特征是：散热器(15)是采用型材45DQ230加工而成，两侧切面设置有加工丝孔，功率器件在表面横列安装，用螺丝固定于U形壳体(16)侧面。
6、根据权利要求5所述的高压变频标准换流功率单元，其特征是：U形壳体(16)采用普通1.5mm镀锌板制成，内部长度与散热器(15)长度一致，在底部有电容阵列(9)固定孔，两侧有散热器(15)、屏蔽板(17)、工频交流电源接入端(1)，控制回路保险(2)、隔离电源变压器(3)、扼流环(6)、主回路保险(7)、铜带(12)和侧板(18)的固定孔。
7、根据权利要求6所述的高压变频标准换流功率单元，其特征是：屏蔽板(17)是采用普通1.5mm镀锌板制成，在中间对应于IGBT(14)的位置加工有直径24mm的过孔，在朝向主控板(4)内侧有一层0.2mm的绝缘板。
8、根据权利要求7所述的高压变频标准换流功率单元，其特征是：在散热器(15)表面用螺丝固定、从前到后是整流桥(5)、晶闸管(13)、旁通扼流环(11)、IGBT(14)和全桥二极管(8)，呈纵向结构，先整流，后H桥逆变。
9、根据权利要求8所述的高压变频标准换流功率单元，其特征是：铜带连接结构为在根扰的曲折结构或人字形结构，IGBT输出1、IGBT输出2铜带采用三个绝缘子与U型壳体(16)形成的三点固定结构，其中两个装在U形壳体(16)前侧，一个装于IGBT输出1、IBGT输出2铜带之间。
10、根据权利要求9所述的高压变频标准换流功率单元，其特征是：其IGBT(14)驱动回路连接是从主控板(4)和屏蔽板(17)共同构成的驱动线过孔进行布线。
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