輔助變流器模塊的製作方法

2024-02-09 17:27:15

輔助變流器模塊的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種輔助變流器模塊，屬於電力【技術領域】，解決了現有技術中不便於對輔助變流器模塊進行控制的技術問題。該輔助變流器模塊，包括主電路和控制電路；所述主電路包括預充電迴路、整流單元、支撐電容和逆變單元，外部交流電壓經過所述預充電迴路對所述支撐電容充電，之後外部交流電壓經過所述整流單元轉變為所述支撐電容上的直流電壓，再經過所述逆變單元將直流電壓轉變為交流電壓；所述控制電路用於向所述逆變單元中的功率開關器件的門極和發射極之間輸出打開或關斷的控制信號。本發明可用於內燃機車中。
【專利說明】輔助變流器模塊

【技術領域】
[0001]本發明涉及電力【技術領域】，具體地說，涉及一種輔助變流器模塊。

【背景技術】
[0002]內燃機車是鐵路運輸中的重要組成部分。其中，內燃機車中的輔助變流器模塊用於實現交流-直流-交流的變流功能，並且為列車輔助用電系統進行供電。
[0003]目前，在內燃機車中，通常採用接觸器開啟輔助變流器模塊的功能。但是，採用接觸器的方式損耗大、故障率高，因此存在不便於對輔助變流器模塊進行控制的技術問題。


【發明內容】

[0004]本發明的目的在於提供一種輔助變流器模塊，以解決現有技術中不便於對輔助變流器模塊進行控制的技術問題。
[0005]本發明提供一種輔助變流器模塊，包括主電路和控制電路；
[0006]所述主電路包括預充電迴路、整流單元、支撐電容和逆變單元，外部交流電壓經過所述預充電迴路對所述支撐電容充電，之後外部交流電壓經過所述整流單元轉變為所述支撐電容上的直流電壓，再經過所述逆變單元將直流電壓轉變為交流電壓；
[0007]所述控制電路用於向所述逆變單元中的功率開關器件的門極和發射極之間輸出打開或關斷的控制信號。
[0008]優選的，所述預充電迴路包括預充電電阻和充電控制板；
[0009]所述充電控制板用於使外部交流電壓經過所述預充電電阻對所述支撐電容充電，還用於驅動所述整流單元中的開關管的打開。
[0010]進一步，所述控制電路包括驅動板、控制板和電源板；
[0011]所述電源板分別與所述驅動板和控制板相連，並為所述驅動板和控制板提供電源；
[0012]所述控制板與所述驅動板相連，所述控制板通過所述驅動板向所述逆變單元中的功率開關器件的門極和發射極之間輸出打開或關斷的控制信號。
[0013]優選的，所述整流單元為晶閘管組成的三相整流橋。
[0014]優選的，所述逆變單元中的功率開關器件為IGBT。
[0015]優選的，所述支撐電容為一個整體的定製電容。
[0016]進一步，所述主電路上設置有散熱器，所述散熱器上設置有溫度繼電器。
[0017]優選的，所述散熱器為型材散熱器。
[0018]進一步，所述整流單元與所述支撐電容之間，以及所述支撐電容與所述逆變單元之間設置有疊層式結構的複合母排。
[0019]優選的，所述疊層式結構的複合母排包括正母排、負母排和絕緣層，所述絕緣層設置在所述正母排與負母排之間。
[0020]本發明帶來了以下有益效果:本發明提供的輔助變流器模塊的主電路中設置有預充電迴路。在整流單元進行整流之前，可以先通過預充電迴路對支撐電容充電，以控制支撐電容上中間電壓的大小，當中間電壓達到預定大小時，再啟動整流單元及逆變單元，進行交流-直流-交流的變流。因此，本發明提供的技術方案能夠在不藉助接觸器等器件的前提下，使輔助變流器模塊能在小電流的情況下啟動，並在啟動完成後，恢復到正常工作電流，從而能夠更加方便的控制輔助變流器模塊的工作狀態。
[0021]本發明的其它特徵和優點將在隨後的說明書中闡述，並且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。本發明的目的和其他優點可通過在說明書、權利要求書以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要的附圖做簡單的介紹:
[0023]圖1是本發明實施例提供的輔助變流器模塊的電路圖；
[0024]圖2是本發明實施例提供的輔助變流器模塊的正視圖；
[0025]圖3是本發明實施例提供的輔助變流器模塊的左視圖；
[0026]圖4是本發明實施例提供的輔助變流器模塊的右視圖；
[0027]圖5是本發明實施例提供的輔助變流器模塊的後視圖。

【具體實施方式】
[0028]以下將結合附圖及實施例來詳細說明本發明的實施方式，藉此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題，並達成技術效果的實現過程能充分理解並據以實施。需要說明的是，只要不構成衝突，本發明中的各個實施例以及各實施例中的各個特徵可以相互結合，所形成的技術方案均在本發明的保護範圍之內。
[0029]如圖1、圖2、圖3、圖4和圖5所示，本發明實施例提供一種輔助變流器模塊，包括主電路I和控制電路2。
[0030]主電路包括預充電迴路、整流單元12、支撐電容C和逆變單元13，外部交流電壓經過預充電迴路對支撐電容C充電，之後外部交流電壓經過整流單元12轉變為支撐電容C上的直流電壓，再經過逆變單元13將直流電壓轉變為交流電壓。控制電路用於向逆變單元13中的功率開關器件Vl、V2、V3、V4、V5、V6的門極和發射極之間輸出打開或關斷的控制信號。
[0031]本實施例中，預充電迴路包括預充電電阻Rl、R2、R3和充電控制板11。充電控制板11用於使外部交流電壓經過預充電電阻Rl、R2、R3對支撐電容C充電，還用於驅動整流單元12中的開關管Dl、D2、D3的打開。整流單元12為晶閘管Dl、D2、D3組成的三相整流橋。
[0032]控制電路包括驅動板21、控制板22和電源板23。電源板23分別與驅動板21和控制板22相連，並為驅動板21和控制板22提供電源。控制板22與驅動板21相連，控制板22通過驅動板21向逆變單元13中的功率開關器件Vl至V6的門極和發射極之間輸出打開或關斷的控制信號。該功率開關器件優選為絕緣柵雙極型電晶體(Insulated GateBipolar Transistor,簡稱IGBT)，且均設置有反並聯二極體。在其他實施方式中，也可以採用晶閘管、門極可關斷晶閘管(Gate-Turn-Off Thyristor,簡稱GT0)、集成門極換流晶閘管(Intergrated Gate Commutated Thyristor,簡稱 IGCT)等其他功率開關器件。
[0033]在輔助變流器模塊啟動時，充電控制板11先將外部440V三相交流電壓經過預充電電阻R1、R2、R3對支撐電容C充電，而充電控制板11還可以監控支撐電容C上的電壓值。當支撐電容C達到預定的電壓後，充電控制板11停止對支撐電容C充電，並打開整流單元12中的晶閘管，使外部交流電壓經過整流單元12轉變為支撐電容C上的直流電壓。
[0034]再由控制板22通過驅動板21向逆變單元13的各個IGBT的門極和發射極之間輸出開通或關斷控制信號，使支撐電容C上的直流電壓經過逆變單元13之後，能夠轉變為380V三相交流電壓。
[0035]作為一個優選方案，支撐電容C為一個整體的定製電容，從而在保證正常功能的前提下，方便支撐電容C的安裝與拆卸。此外，支撐電容C並聯有放電電阻Rl I，用於在輔助變流器模塊停止工作之後，將支撐電容C中存餘的電荷放電至安全電壓以下。
[0036]如圖3和圖4所示，主電路上進一步設置有散熱器3，散熱器3上設置有溫度繼電器KA1，逆變單元13的輸出端設置有電流傳感器SC1、SC2、SC3。散熱器3優選為型材散熱器，不僅降低了成本，並且型材散熱器具有更低的熱阻，從而提高了輔助變流器模塊的散熱效率。
[0037]驅動板21能夠實現控制板22控制信號的接收，逆變單元13的IGBT的驅動，處理溫度信號、電流信號和故障信號並反饋至控制板22。驅動板21通過接收電流傳感器SC1、SC2、SC3和溫度繼電器KAl的信號，經過處理後輸出至控制板22，然後由控制板22向驅動板21輸出IGBT開通或關斷的脈衝控制信號，通過驅動脈衝控制信號的傳輸或停止來控制IGBT的開通或關斷，實現輔助變流器模塊的保護功能。另外，通過設置7ΜΩ電阻R21、R22，能夠將支撐電容C上的中間電壓轉變為電流信號，並通過驅動板21將該電流信號傳輸至控制板22，控制板22可根據中間電壓的大小決定是否打開或關斷IGBT，從而實現了中間電壓的檢測，節省了設置電壓傳感器的空間，也節約了輔助變流器模塊的成本。
[0038]電源板23接收IlOV直流電壓，並向驅動板21提供± 15V、+5V直流電壓，同時向控制板22提供+5V直流電壓。IGBT的門極脈衝是由驅動板21提供的，驅動板21在獲得土 15V、+5V工作電壓和由控制板22提供的SPWM波後，將三相SPWM波轉換為+15V、_10V的六路方波脈衝。驅動板21同時監測SPWM波的脈寬，輸入驅動板21的+5V電壓幅值，以及IGBT的故障信號和過載信號，驅動板21通過監測IGBT集電極和發射極之間的電壓判斷IGBT的故障和過載。當監測到這些信號出現異常時，驅動板21將封鎖脈衝，並將故障信號和過載信號送給控制板22，使控制板22停止發出SPWM波。此外，驅動板21還會將溫度繼電器KAl採集到得溫度信號和電流傳感器SC1、SC2、SC3採集的電流信號經過處理後，輸出至控制板22。控制板22則是在系統的設置下，繼續發出SPWM波或停止發出SPWM波，並將SPWM波發送至驅動板21，從而實現保護功能。整個過程是控制板22發出SPWM波給驅動板21，並從驅動板21上獲得反饋信號，再通過與輔助變流器模塊外部的上位機系統進行通信，從而決定是否中斷或開啟脈衝，使整個主電路的IGBT的過程形成一個控制閉環，使得輔助變流器模塊整體性更高，能獨立實現功能。
[0039]即在輔助變流器模塊運行過程中，當驅動板21、溫度繼電器KA1、電流傳感器SC1、SC2、SC3或外部通信接口給出故障信號時，控制板22將封鎖SPWM波，輔助變流器模塊停止工作，控制板22將進行自檢，當故障信號消失後，控制板22發出脈衝，輔助變流器模塊開始工作。驅動板21能輸出六路觸發IGBT開通和關斷的脈衝，並對觸發逆變單元13上下橋臂之間的脈衝進行了互鎖，使得上下橋臂的IGBT不會因為直通而損壞。本發明實施例提供的輔助變流器模塊在發生短路故障時，響應速度快，在短路電流很小時就進行了保護，有效保障了 IGBT等功率半導體器件自身的安全。
[0040]本實施例中，整流單元12與支撐電容C之間，以及支撐電容C與逆變單元13 (輸出端的銅排130)之間設置有疊層式結構的複合母排4，如圖5所示。優選的，疊層式結構的複合母排4可包括正母排、負母排和絕緣層，絕緣層設置在正母排與負母排之間。
[0041]傳統的銅排連接容易產生較大的雜散電感，是因為在IGBT關斷時，雜散電感會產生一個LsXIs的電壓，與主電路的反向關斷電壓一起作用於將要關斷的IGBT上，這使得IGBT上承受的電壓過大，而可能損壞IGBT。而通過疊層式結構的複合母排4將整流單元12、支撐電容C、逆變單元13及其輸出端銅排相連，通過在正、負母排之間加入絕緣層的方式，將正、負母排疊在一起，使複合母排4本身形成一個類似平板電容的結構，將中和銅排產生的雜散電感，使得複合母排4的雜散電感大大減少。
[0042]本發明實施例提供的輔助變流器模塊不僅環保、清潔、損耗低，也使得輸出電壓更加穩定，波動性更加小，有效降低了損耗，減少了故障率，並且減小了輔助變流器模塊的體積，其體積可達到460mmX 367mmX 280mm。輔助變流器模塊集成了控制、驅動和功率部分，併集成了保護功能，使輔助變流器模塊的集成度更高，使得只需要給輔助變流器模塊提供控制電源和主電源就能完成將交流電源進行變壓變頻的功能，同時還能獨立實現運行時的功能，便於對系統進行控制，以及對於輔助變流器模塊的維修與更換。通過集成的保護功能，對輔助變流器模塊進行故障、電流過大、溫度過高的保護，從而保護輔助變流器模塊及整個系統的安全。輔助變流器模塊內部採用疊層式的複合母排相連，使得輔助變流器模塊本身的雜散電感大大減小，也避免了由於浪湧電壓過大，對功率開關器件的損害。本發明輔助變流器模塊高集成度的結構設計合理，可靠性高，功能完善，便於維修和移植。更為重要的是，通過設置預充電迴路，使輔助變流器模塊的中間電壓可以調節，在不藉助接觸器等器件的前提下，使輔助變流器模塊能在小電流的情況下啟動，並在啟動完成後，恢復到正常工作電流，從而能夠更加方便的控制輔助變流器模塊的工作狀態。
[0043]雖然本發明所公開的實施方式如上，但所述的內容只是為了便於理解本發明而採用的實施方式，並非用以限定本發明。任何本發明所屬【技術領域】內的技術人員，在不脫離本發明所公開的精神和範圍的前提下，可以在實施的形式上及細節上作任何的修改與變化，但本發明的專利保護範圍，仍須以所附的權利要求書所界定的範圍為準。
【權利要求】
1.一種輔助變流器模塊，其特徵在於，包括主電路和控制電路； 所述主電路包括預充電迴路、整流單元、支撐電容和逆變單元，外部交流電壓經過所述預充電迴路對所述支撐電容充電，之後外部交流電壓經過所述整流單元轉變為所述支撐電容上的直流電壓，再經過所述逆變單元將直流電壓轉變為交流電壓； 所述控制電路用於向所述逆變單元中的功率開關器件的門極和發射極之間輸出打開或關斷的控制信號。
2.如權利要求1所述的輔助變流器模塊，其特徵在於，所述預充電迴路包括預充電電阻和充電控制板； 所述充電控制板用於使外部交流電壓經過所述預充電電阻對所述支撐電容充電，還用於驅動所述整流單元中的開關管的打開。
3.如權利要求1所述的輔助變流器模塊，其特徵在於，所述控制電路包括驅動板、控制板和電源板； 所述電源板分別與所述驅動板和控制板相連，並為所述驅動板和控制板提供電源； 所述控制板與所述驅動板相連，所述控制板通過所述驅動板向所述逆變單元中的功率開關器件的門極和發射極之間輸出打開或關斷的控制信號。
4.如權利要求1至3任一項所述的輔助變流器模塊，其特徵在於，所述整流單元為晶閘管組成的三相整流橋。
5.如權利要求1至4任一項所述的輔助變流器模塊，其特徵在於，所述逆變單元中的功率開關器件為IGBT。
6.如權利要求1至5任一項所述的輔助變流器模塊，其特徵在於，所述支撐電容為一個整體的定製電容。
7.如權利要求1至6任一項所述的輔助變流器模塊，其特徵在於，所述主電路上設置有散熱器，所述散熱器上設置有溫度繼電器。
8.如權利要求7所述的輔助變流器模塊，其特徵在於，所述散熱器為型材散熱器。
9.如權利要求1至8任一項所述的輔助變流器模塊，其特徵在於，所述整流單元與所述支撐電容之間，以及所述支撐電容與所述逆變單元之間設置有疊層式結構的複合母排。
10.如權利要求9所述的輔助變流器模塊，其特徵在於，所述疊層式結構的複合母排包括正母排、負母排和絕緣層，所述絕緣層設置在所述正母排與負母排之間。
【文檔編號】H02M5/44GK104348367SQ201410614495
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年11月4日 優先權日:2014年11月4日
【發明者】李超, 黃長強, 馬伯樂, 彭銀中, 李詩逸 申請人:南車株洲電力機車研究所有限公司