高壓變頻標準換流功率單元的製作方法

2023-05-29 20:21:41 2

專利名稱：高壓變頻標準換流功率單元的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電力電子換流裝置，具體地說是一種用於多電平單元串聯電壓源型的高壓變頻器中用於實現功率變換的系統，工程中稱為換流功率單元。
背景技術：
我國的電機設計理念與技術50年代學自蘇聯，在工業設計上留有很大的餘量，系統運行時電能利用率低。在電力市場對應用高壓變頻器的節能具有了很大的需求。
據國家《電動機調速技術產業化途徑與對策的研究》報告中，中國發電量總量的66％消耗在電動機上。而中國目前電動機總裝機容量已超過40萬兆瓦，高壓電機約佔一半，高壓電機中近70％拖動的負載是風機、泵類、壓縮機，其中一半適合調速，即有約7.5萬兆瓦的高壓電機處在浪費運行的狀態。
在變頻器中，最關鍵的器件是高壓大功率可關斷器件IGBT(絕緣門極雙極型電晶體)，在國內不能生產，在全世界範圍內，只有德國英飛凌下屬的EUPEC子公司和日本三菱公司生產。由於各國間的高科技限制，就舉例對於中國高科技進口產品管制較松的德國而言，根據《eupec IGBT應用指南》所註明除FF200R33KF2C外，所有EUPEC IHV，電壓大於2500V耐壓的IGBT模塊，均受歐洲出口限制，需辦理最終用途說明，不能用於軍事目的。
由於IGBT型號的限制，在國內的高壓變頻器只有採用多電平單元串聯電壓源型原理結構進行研發和製作。電壓等級是3kV，需用9個功率換流單元，電壓等級是6kV，需用18個功率換流單元，電壓等級是10kV，需用27個功率換流單元。變頻器的電壓等級越高，則換流單元的數量就相應增加。
對應不同的電壓等級的變頻器中的功率單元來說，雖然在不同等級的變頻器中每個換流功率單元的電壓等級和輸出功率沒有改變。但是功率單元的電磁運行環境卻變得越來越來越惡劣。隨著總電壓等級和總輸出功率的提高，每個標準功率單元內部幹擾能量的空間分布加大、時間分布非周期性加強、幹擾頻率的頻譜帶寬增加、發射幹擾源增多等不利因素相應增加，其嚴酷的電磁兼容環境嚴重影響功率換流單元正常運行，使高壓變頻器的性能下降和穩定性降低。
在目前，對於多電壓單元串聯電壓源型原理的高壓變頻器中，在國際和國內，對於其功率換流單元均注重的是功率和散熱，沒有專門針對於電磁兼容性和標準化的技術方案。

發明內容本發明的目的是提供一種具有高等級電磁兼容性能的高壓變頻標準換流功率單元。
本發明的目的是這樣實現的它包括殼體、功能器件、控制板20、電容陣列和散熱器，電容陣列組立式布置於單元底部，散熱器立式布於電容陣列上方的一側，另一側布置控制板，在控制板與功率器件之間設置屏蔽板，功率器件布置於散熱器表面，需要連接的部分之間通過銅帶進行電氣連接。
本發明的具體的元件為輸入部分包括工頻交流電源接入端1，控制迴路包括控制迴路保險2、隔離電源變壓器3、主控板4、整流橋5和扼流環6；主迴路包括主迴路保險7、全橋二極體8、電容陣列9、電容均壓板10、扼流環11、銅帶12、晶閘管13、IGBT14和散熱器15；殼體為U型殼體16。
電氣連接方法是工頻交流電源(1)接入主迴路保險(7)和控制迴路保險(2)，從主迴路保險(7)接入全橋二極體(8)，二極體輸出正極的電纜通過扼流環(11)接入電容陣列(9)正極，二極體負極通過電纜接入電容陣列(9)負極，電容陣列正負通過銅帶(12)連到IGBT(14)，IGBT(14)輸出通過銅帶(12)連到輸出端子，另一路通過扼流環(6)連到整流橋(5)，從整流橋(5)到晶閘管(13)，控制迴路保險(2)接入隔離電源變壓器(3)，隔離電源變壓器(3)二次側接入主控板(4)供電端。主控板(4)輸出IGBT驅動(15)到IGBT(14)，輸出晶閘管驅動到晶閘管(13)，電容陣列(9)中的電容接入電容均壓板(10)，並在電容均壓板(10)接入主控板(4)。
結構安裝方式是整流橋(5)，IGBT(14)，晶閘管(13)和全橋二極體(8)旁通扼流環(11)安裝於散熱器(15)表面。電容均壓板(10)安裝於電容陣列(9)側面。主控板(4)安裝於屏蔽板(17)表面。散熱器(15)、電容陣列(9)、屏蔽板(17)、工頻交流電源接入端(1)，控制迴路保險(2)、隔離電源變壓器(3)、扼流環(6)、主迴路保險(7)、銅帶(12)和側板(18)均裝於U型殼體(16)上。
本發明重要的電氣特性是「具有高等級的電磁兼容性能，能夠在工業嚴酷等級的電快速脈衝群、靜電放電、射頻場的電磁環境條件下正常運行。」本發明還包括以下一些結構特徵1.主迴路器件採用相對位置布置結構，包括主控板4、電容陣列9、散熱器和屏蔽板，電容陣列9在底部，散熱器固定於左側部，主控板4固定於右側部，屏蔽板17在散熱器15與主控板4的中間。
2.主迴路的電容陣列9採用6個400V/4700uF鋁電解電容，三串兩並，用支架固定。
3.散熱器15採用型材45DQ230加工而成，兩側切面設置有加工絲孔，功率器件在表面橫列安裝，用螺絲固定於殼體側面。
4.U形殼體(16)，它是採用普通1.5mm鍍鋅板製成，內部長度與散熱器(15)長度一致。在底部加工電容陣列(9)固定孔，兩側加工散熱器(15)、屏蔽板(17)、工頻交流電源接入端(1)，控制迴路保險(2)、隔離電源變壓器(3)、扼流環(6)、主迴路保險(7)、銅帶(12)和側板(18)的固定孔。
5.屏蔽板(17)是採用普通1.5mm鍍鋅板製成，在中間對應於IGBT(14)的位置加工有直徑24mm的過孔，在朝向主控板(4)內側有一層0.2mm的絕緣板。
6.銅帶(12)採用1.0銅紫銅板加工後鍍錫製作，總計5根。是IBGT輸出1、IBGT輸出2、電容正極連接、電容負極連接、電容串聯連接。
7.功率器件安裝位置是在散熱器(15)表面用螺絲固定，從前到後是整流橋(5)、晶閘管(13)、旁通扼流環(11)、IGBT(14)和全橋二極體(8)，呈縱向結構，先整流，後H橋逆變。
8.銅帶連接結構，在根擾的曲折結構或人字形結構，IGBT輸出1、IGBT輸出2銅帶採用三個絕緣子與U型殼體(16)形成的三點固定結構，其中兩個裝在U形殼體(16)前側，一個裝於IGBT輸出1、IBGT輸出2銅帶之間。
9.散熱結構，散熱器(15)後側肋片和側板(18)後側形成主風道結構，散熱器(15)表面、屏蔽板(17)後側和側板(18)頂側形成副風道結構。
10.電氣連接中，其IGBT(14)驅動迴路連接是從主控板(4)和屏蔽板(17)共同構成的驅動線過孔進行布線，可以達到從主控板(4)到IGBT(14)驅動的電氣連接線的長度為最短。
11.扼流環採用國產C型鐵氧體的二塊並列，在上繞制有二圈線纜製成。
本發明包括以下電氣特徵1.將三相工頻交流電通過六相橋式整流二極體變換為直流，輸出二相頻率受控的PWM電壓波形的電壓源型換流功率系統，在中間加入保險進行過流與短路保護。
2.變換輸出的直流通過一個扼流環進入電容陣列組進行平波與儲能；3.四個電壓等級是1700V的IGBT組成一個H橋逆變迴路，將電容陣列中儲存的直流轉轉成可調PWM波形；4.PWM波通銅帶接到端子，在中間並聯一個整流橋與可控矽，實現旁通功能；在銅帶與整流橋中串入一個扼流環；5.IGBT的開斷控制和旁通可矽的導通控制通過主控板實現。
6.在輸入六相橋式整流二極體輸出加CJE專用電容，與扼流環構成輸入諧波吸收系統；在IGBT與電容連接入加入CJE專用電容，吸收IGBT關斷的衝擊；7.主控板安裝於屏蔽板了，屏蔽板是獨創的半包圍結構，能在單元整體惡劣的電磁環境中，為主控板屏蔽出一個相對潔靜的電磁空間；8.IGBT輸出的PWM電壓波形功率銅帶和電容連接銅帶，都採用單迴路對稱平行結構，使其圍起的電磁空間最小，對外部的電磁幹擾小。
本發明的獨有優點有1、獨創的器件相對位置排列結構即「電容陣列組立式布置於單元底部，散熱器立式布於側面，另一側面布置控制板，在控制板與功率器件之間布置屏蔽板。功率器件布置於散熱器表面，使用銅帶進行電氣連接。
2、高等級的電磁兼容性能通過創新型電氣、電子、結構的技術方案，使本發明「具有高等級的電磁兼容性能，能夠在工業嚴酷等級的電快速脈衝群、靜電放電、射頻場的電磁環境條件下正常運行。
3、穩定的U形框架結構U形殼體16是用一張鍍鋅板製作的U形的鐵板框架，散熱器15的兩端分別加工出安裝孔，U形殼體在前後側加工出散熱器安裝孔，當散熱器15與U形殼體16用螺絲壓緊後，即形成了一個穩定的框架結構，具有極強的抗變形能力，獨創的結構可將所有元件全部固定於U形殼體16上，在較寬鬆的工藝安裝環境下即可達到較高的安裝精度；4、IGBT輸出銅帶採用獨創的曲折結構對電容與IGBT連接銅帶採用中間絕緣板隔高的人字形層疊結構。其迴路圍起面積最小，正負迴路相互對應，發射電磁幹擾的能力減小，同時其接收幹擾的能力也減小；5、潔淨電磁空間主控板是標準功率單元的核心，也是對電磁環境要求最嚴的地方，採用特製的屏蔽板，結合U形殼體，在主控板周圍形成電磁屏蔽空間，將電磁幹擾最強烈的內部銅帶結構全部屏蔽，保持功率變換單元內核心控制系統處於安全的電磁兼容環境下；6、最短IGBT驅動布線距離IGBT驅動的信號是屬於電平驅動，其電壓低，且驅動電流極小，故極易受幹擾，而驅動信號是單元運行的基準，故其要求從驅動器到IGBT驅動端子距離要短，且儘量避免與大電流迴路並行，創建空間獨立布線結構，IGBT驅動迴路從主控板專設的過線孔進行布線，不但距離最短，且不與主迴路銅帶並行，符合電磁兼容對其最高的標準。
7、單元內的雙風道系統屏蔽板、散熱器表面、U形殼體形成了一個箱形結構，在後側開出通風孔，與前側進線孔形成了副風道結構，用於散熱器表面功率器件的外殼溫度與電容陣列的散熱，散熱器的肋片形成主風道，前側進風，後側出風。用於對功率器件的基底傳導過的熱量進行散熱降溫。保持功率器件在額定溫度範圍內正常運行。
8、高標準性高壓變頻標準換流功率單元全部完成，可以保證在不進行任可更改的情況下，直接用其組成多種電壓等級的高壓變頻器。
附錄電磁兼容試驗參數1、具體的電磁兼容測試項目電快速瞬變脈衝群抗擾度測試；靜電放電抗擾度測試；射頻電磁場輻射抗擾度測試；2、電快速瞬變脈衝群抗擾度測試數據
3、靜電放電測試數據
4、射頻電磁場輻射抗擾度試驗射頻電磁場輻射抗擾度測試8M頻率，等級3，試驗場強10V/m，設定時間為30分鐘。在測試時將高壓變頻標準換流功率單元處於最高頻率輸出狀態。
在一個小時後，重新進入電磁兼容試驗室，高壓變頻標準換流功率單元的狀態指示與測試小箱面板數據，高壓變頻標準換流功率單元射頻電磁場輻射環境測試環境中工作正常。


圖1是本發明高壓變頻標準換流功率單元的創新型電氣、電子、結構的技術方案圖。
圖2是本發明高壓變頻標準換流功率單元原理圖；圖3是本發明高壓變頻標準換流功率單元的U形殼體結構圖；圖4是本發明高壓變頻標準換流功率單元的內部銅帶結構圖。
圖5是本發明高壓變頻標準換流功率單元的組裝完成圖。
具體實施方式
下面結合附圖舉例對本發明作更詳細的描述結合附圖1，是本發明的重點是創新型電氣、電子、結構的技術方案，即「電容陣列組立式布置於單元底部，散熱器立式布於側面，另一側面布置控制板，在控制板與功率器件之間布置屏蔽板。功率器件布置於散熱器表面，使用銅帶進行電氣連接。
結合附圖2，是本發明的原理接線圖，其是工頻交流電源(1)接入主迴路保險(7)和控制迴路保險(2)，從主迴路保險(7)接入全橋二極體(8)，二極體輸出正極的電纜通過扼流環(11)接入電容陣列(9)正極，二極體負極通過電纜接入電容陣列(9)負極，電容陣列正負通過銅帶(12)連到IGBT(14)，IGBT(14)輸出通過銅帶(12)連到輸出端子，另一路通過扼流環(6)連到整流橋(5)，從整流橋(5)到晶閘管(13)，控制迴路保險(2)接入隔離電源變壓器(3)，隔離電源變壓器(3)二次側接入主控板(4)供電端。主控板(4)輸出IGBT驅動(15)到IGBT(14)，輸出晶閘管驅動到晶閘管(13)，電容陣列(9)中的電容接入電容均壓板(10)，並在電容均壓板(10)接入主控板(4)。
結合附圖3，是本發明的U形殼體(16)，它是採用普通1.5mm鍍鋅板製成，內部長度與散熱器(15)長度一致。在底部加工電容陣列(9)固定孔，兩側加工散熱器(15)、屏蔽板(17)、工頻交流電源接入端(1)，控制迴路保險(2)、隔離電源變壓器(3)、扼流環(6)、主迴路保險(7)、銅帶(12)和側板(18)的固定孔。獨創的U形結構具有散熱器配套的框架固定結構，具有極強的抗變形能力，可將所有元件全部固定於其上，在較寬鬆的工藝安裝環境下即可達到較高的安裝精度。
結合附圖4，是本發明的連接銅帶結構，其銅帶12採用1.0銅紫銅板加工後鍍錫，又分為兩種結構，一個是二根銅帶組成的IBGT輸出的曲折結構，另一個是二根銅帶組成的人字形結構，其正負迴路相互對應，其迴路圍起面積最小，發射電磁幹擾的能力減小，同時其接收幹擾的能力也減小。
結合附圖5，是本發明進行結構安裝，整流橋(5)，IGBT(14)，晶閘管(13)和全橋二極體(8)旁通扼流環(11)安裝於散熱器(15)表面。電容均壓板(10)安裝於電容陣列(9)側面。主控板(4)安裝於屏蔽板(17)表面。散熱器(15)、電容陣列(9)、屏蔽板(17)、工頻交流電源接入端(1)，控制迴路保險(2)、隔離電源變壓器(3)、扼流環(6)、主迴路保險(7)、均裝於U型殼體(16)上。銅帶(12)按附圖3的結構形式進行組裝，最後將側板(18)組裝。其控制部份空間具有高抗電磁幹擾的結構外形。主控板是標準功率單元的核心，也是對電磁環境要求最嚴的地方，採用特製的屏蔽板，結合U形殼體，在主控板周圍形成電磁屏蔽空間，將電磁幹擾最強烈的內部銅帶結構全部屏蔽，保持功率變換單元內核心控制系統處於安全的電磁兼容環境下。IGBT驅動的信號是屬於電平驅動，其電壓低，且驅動電流極小，故極易受幹擾。而驅動信號是單元運行的基準，故其要求從驅動器到IGBT驅動端子距離要短，且儘量避免與大電流迴路並行。
根據以上要求，在本發明中，創建空間獨立布線結構，IGBT驅動迴路從主控板專設的過線孔進行布線，不但距離最短，且不與主迴路銅帶並行，符合電磁兼容對其最高的標準。
權利要求
1.一種高壓變頻標準換流功率單元，它包括殼體、功能器件、控制板、電容陣列和散熱器，其特徵是電容陣列組立式布置於單元底部，散熱器立式布於電容陣列上方的一側，另一側布置控制板，在控制板與功率器件之間設置屏蔽板，功率器件布置於散熱器表面，需要連接的部分之間通過銅帶進行電氣連接。
2.根據權利要求1所述的高壓變頻標準換流功率單元，其特徵是元件組成為輸入部分包括工頻交流電源接入端1，控制迴路包括控制迴路保險(2)、隔離電源變壓器(3)、主控板(4)、整流橋(5)和扼流環(6)；主迴路包括主迴路保險(7)、全橋二極體(8)、電容陣列(9)、電容均壓板(10)、扼流環(11)、銅帶(12)、晶閘管(13)、IGBT(14)和散熱器(15)；電氣連接方法是工頻交流電源(1)接入主迴路保險(7)和控制迴路保險(2)，從主迴路保險(7)接入全橋二極體(8)，二極體輸出正極的電纜通過扼流環(11)接入電容陣列(9)正極，二極體負極通過電纜接入電容陣列(9)負極，電容陣列正負通過銅帶(12)連到IGBT(14)，IGBT(14)輸出通過銅帶(12)連到輸出端子，另一路通過扼流環(6)連到整流橋(5)，從整流橋(5)到晶閘管(13)，控制迴路保險(2)接入隔離電源變壓器(3)，隔離電源變壓器(3)二次側接入主控板(4)供電端。主控板(4)輸出IGBT驅動(15)到IGBT(14)，輸出晶閘管驅動到晶閘管(13)，電容陣列(9)中的電容接入電容均壓板(10)，並在電容均壓板(10)接入主控板(4)。
3.根據權利要求1或2所述的高壓變頻標準換流功率單元，其特徵是殼體為U型殼體(16)。
4.根據權利要求3所述的高壓變頻標準換流功率單元，其特徵是電容陣列(9)是採用6個400V/4700uF鋁電解電容，三串兩並，用支架固定。
5.根據權利要求4所述的高壓變頻標準換流功率單元，其特徵是散熱器(15)是採用型材45DQ230加工而成，兩側切面設置有加工絲孔，功率器件在表面橫列安裝，用螺絲固定於U形殼體(16)側面。
6.根據權利要求5所述的高壓變頻標準換流功率單元，其特徵是U形殼體(16)採用普通1.5mm鍍鋅板製成，內部長度與散熱器(15)長度一致，在底部有電容陣列(9)固定孔，兩側有散熱器(15)、屏蔽板(17)、工頻交流電源接入端(1)，控制迴路保險(2)、隔離電源變壓器(3)、扼流環(6)、主迴路保險(7)、銅帶(12)和側板(18)的固定孔。
7.根據權利要求6所述的高壓變頻標準換流功率單元，其特徵是屏蔽板(17)是採用普通1.5mm鍍鋅板製成，在中間對應於IGBT(14)的位置加工有直徑24mm的過孔，在朝向主控板(4)內側有一層0.2mm的絕緣板。
8.根據權利要求7所述的高壓變頻標準換流功率單元，其特徵是在散熱器(15)表面用螺絲固定、從前到後是整流橋(5)、晶閘管(13)、旁通扼流環(11)、IGBT(14)和全橋二極體(8)，呈縱向結構，先整流，後H橋逆變。
9.根據權利要求8所述的高壓變頻標準換流功率單元，其特徵是銅帶連接結構為在根擾的曲折結構或人字形結構，IGBT輸出1、IGBT輸出2銅帶採用三個絕緣子與U型殼體(16)形成的三點固定結構，其中兩個裝在U形殼體(16)前側，一個裝於IGBT輸出1、IBGT輸出2銅帶之間。
10.根據權利要求9所述的高壓變頻標準換流功率單元，其特徵是其IGBT(14)驅動迴路連接是從主控板(4)和屏蔽板(17)共同構成的驅動線過孔進行布線。
全文摘要
本發明提供的是一種高壓變頻標準換流功率單元，它包括殼體、功能器件、控制板、電容陣列和散熱器，電容陣列組立式布置於單元底部，散熱器立式布於電容陣列上方的一側，另一側布置控制板，在控制板與功率器件之間設置屏蔽板，功率器件布置於散熱器表面，需要連接的部分之間通過銅帶進行電氣連接。本發明重要的電氣特性是具有高等級的電磁兼容性能，能夠在工業嚴酷等級的電快速脈衝群、靜電放電、射頻場的電磁環境條件下正常運行。
文檔編號H02M3/06GK1925289SQ200610010549
公開日2007年3月7日 申請日期2006年9月15日 優先權日2006年9月15日
發明者李凱, 白德芳, 丁兆國, 周維來, 劉志強 申請人:哈爾濱九洲電氣股份有限公司