專利名稱：高壓變頻標準換流功率單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電力電子換流裝置，具體地說是一種用于多電平單元串聯(lián)電壓源型的高壓變頻器中用于實現(xiàn)功率變換的系統(tǒng)，工程中稱為換流功率單元。
背景技術(shù)：
我國的電機設(shè)計理念與技術(shù)50年代學自蘇聯(lián)，在工業(yè)設(shè)計上留有很大的余量，系統(tǒng)運行時電能利用率低。在電力市場對應(yīng)用高壓變頻器的節(jié)能具有了很大的需求。
據(jù)國家《電動機調(diào)速技術(shù)產(chǎn)業(yè)化途徑與對策的研究》報告中，中國發(fā)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，高壓電機約占一半，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(diào)速，即有約7.5萬兆瓦的高壓電機處在浪費運行的狀態(tài)。
在變頻器中，最關(guān)鍵的器件是高壓大功率可關(guān)斷器件IGBT(絕緣門極雙極型晶體管)，在國內(nèi)不能生產(chǎn)，在全世界范圍內(nèi)，只有德國英飛凌下屬的EUPEC子公司和日本三菱公司生產(chǎn)。由于各國間的高科技限制，就舉例對于中國高科技進口產(chǎn)品管制較松的德國而言，根據(jù)《eupec IGBT應(yīng)用指南》所注明除FF200R33KF2C外，所有EUPEC IHV，電壓大于2500V耐壓的IGBT模塊，均受歐洲出口限制，需辦理最終用途說明，不能用于軍事目的。
由于IGBT型號的限制，在國內(nèi)的高壓變頻器只有采用多電平單元串聯(lián)電壓源型原理結(jié)構(gòu)進行研發(fā)和制作。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(shù)量就相應(yīng)增加。
對應(yīng)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(huán)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(nèi)部干擾能量的空間分布加大、時間分布非周期性加強、干擾頻率的頻譜帶寬增加、發(fā)射干擾源增多等不利因素相應(yīng)增加，其嚴酷的電磁兼容環(huán)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(wěn)定性降低。
在目前，對于多電壓單元串聯(lián)電壓源型原理的高壓變頻器中，在國際和國內(nèi)，對于其功率換流單元均注重的是功率和散熱，沒有專門針對于電磁兼容性和標準化的技術(shù)方案。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)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(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)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于單元底部，散熱器立式布于電容陣列上方的一側(cè)，另一側(cè)布置控制板，在控制板與功率器件之間設(shè)置屏蔽板，功率器件布置于散熱器表面，需要連接的部分之間通過銅帶進行電氣連接。
本發(fā)明的具體的元件為輸入部分包括工頻交流電源接入端1，控制回路包括控制回路保險2、隔離電源變壓器3、主控板4、整流橋5和扼流環(huán)6；主回路包括主回路保險7、全橋二極管8、電容陣列9、電容均壓板10、扼流環(huán)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)接入主回路保險(7)和控制回路保險(2)，從主回路保險(7)接入全橋二極管(8)，二極管輸出正極的電纜通過扼流環(huán)(11)接入電容陣列(9)正極，二極管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(huán)(6)連到整流橋(5)，從整流橋(5)到晶閘管(13)，控制回路保險(2)接入隔離電源變壓器(3)，隔離電源變壓器(3)二次側(cè)接入主控板(4)供電端。主控板(4)輸出IGBT驅(qū)動(15)到IGBT(14)，輸出晶閘管驅(qū)動到晶閘管(13)，電容陣列(9)中的電容接入電容均壓板(10)，并在電容均壓板(10)接入主控板(4)。
結(jié)構(gòu)安裝方式是整流橋(5)，IGBT(14)，晶閘管(13)和全橋二極管(8)旁通扼流環(huán)(11)安裝于散熱器(15)表面。電容均壓板(10)安裝于電容陣列(9)側(cè)面。主控板(4)安裝于屏蔽板(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)，控制回路保險(2)、隔離電源變壓器(3)、扼流環(huán)(6)、主回路保險(7)、銅帶(12)和側(cè)板(18)均裝于U型殼體(16)上。
本發(fā)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(yè)嚴酷等級的電快速脈沖群、靜電放電、射頻場的電磁環(huán)境條件下正常運行?！北景l(fā)明還包括以下一些結(jié)構(gòu)特征1.主回路器件采用相對位置布置結(jié)構(gòu)，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，散熱器固定于左側(cè)部，主控板4固定于右側(cè)部，屏蔽板17在散熱器15與主控板4的中間。
2.主回路的電容陣列9采用6個400V/4700uF鋁電解電容，三串兩并，用支架固定。
3.散熱器15采用型材45DQ230加工而成，兩側(cè)切面設(shè)置有加工絲孔，功率器件在表面橫列安裝，用螺絲固定于殼體側(cè)面。
4.U形殼體(16)，它是采用普通1.5mm鍍鋅板制成，內(nèi)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(cè)加工散熱器(15)、屏蔽板(17)、工頻交流電源接入端(1)，控制回路保險(2)、隔離電源變壓器(3)、扼流環(huán)(6)、主回路保險(7)、銅帶(12)和側(cè)板(18)的固定孔。
5.屏蔽板(17)是采用普通1.5mm鍍鋅板制成，在中間對應(yīng)于IGBT(14)的位置加工有直徑24mm的過孔，在朝向主控板(4)內(nèi)側(cè)有一層0.2mm的絕緣板。
6.銅帶(12)采用1.0銅紫銅板加工后鍍錫制作，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(lián)連接。
7.功率器件安裝位置是在散熱器(15)表面用螺絲固定，從前到后是整流橋(5)、晶閘管(13)、旁通扼流環(huán)(11)、IGBT(14)和全橋二極管(8)，呈縱向結(jié)構(gòu)，先整流，后H橋逆變。
8.銅帶連接結(jié)構(gòu)，在根擾的曲折結(jié)構(gòu)或人字形結(jié)構(gòu)，IGBT輸出1、IGBT輸出2銅帶采用三個絕緣子與U型殼體(16)形成的三點固定結(jié)構(gòu)，其中兩個裝在U形殼體(16)前側(cè)，一個裝于IGBT輸出1、IBGT輸出2銅帶之間。
9.散熱結(jié)構(gòu)，散熱器(15)后側(cè)肋片和側(cè)板(18)后側(cè)形成主風道結(jié)構(gòu)，散熱器(15)表面、屏蔽板(17)后側(cè)和側(cè)板(18)頂側(cè)形成副風道結(jié)構(gòu)。
10.電氣連接中，其IGBT(14)驅(qū)動回路連接是從主控板(4)和屏蔽板(17)共同構(gòu)成的驅(qū)動線過孔進行布線，可以達到從主控板(4)到IGBT(14)驅(qū)動的電氣連接線的長度為最短。
11.扼流環(huán)采用國產(chǎn)C型鐵氧體的二塊并列，在上繞制有二圈線纜制成。
本發(fā)明包括以下電氣特征1.將三相工頻交流電通過六相橋式整流二極管變換為直流，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(tǒng)，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(huán)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橋逆變回路，將電容陣列中儲存的直流轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)成可調(diào)PWM波形；4.PWM波通銅帶接到端子，在中間并聯(lián)一個整流橋與可控硅，實現(xiàn)旁通功能；在銅帶與整流橋中串入一個扼流環(huán)；5.IGBT的開斷控制和旁通可硅的導通控制通過主控板實現(xiàn)。
6.在輸入六相橋式整流二極管輸出加CJE專用電容，與扼流環(huán)構(gòu)成輸入諧波吸收系統(tǒng)；在IGBT與電容連接入加入CJE專用電容，吸收IGBT關(guān)斷的沖擊；7.主控板安裝于屏蔽板了，屏蔽板是獨創(chuàng)的半包圍結(jié)構(gòu)，能在單元整體惡劣的電磁環(huán)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，都采用單回路對稱平行結(jié)構(gòu)，使其圍起的電磁空間最小，對外部的電磁干擾小。
本發(fā)明的獨有優(yōu)點有1、獨創(chuàng)的器件相對位置排列結(jié)構(gòu)即“電容陣列組立式布置于單元底部，散熱器立式布于側(cè)面，另一側(cè)面布置控制板，在控制板與功率器件之間布置屏蔽板。功率器件布置于散熱器表面，使用銅帶進行電氣連接。
2、高等級的電磁兼容性能通過創(chuàng)新型電氣、電子、結(jié)構(gòu)的技術(shù)方案，使本發(fā)明“具有高等級的電磁兼容性能，能夠在工業(yè)嚴酷等級的電快速脈沖群、靜電放電、射頻場的電磁環(huán)境條件下正常運行。
3、穩(wěn)定的U形框架結(jié)構(gòu)U形殼體16是用一張鍍鋅板制作的U形的鐵板框架，散熱器15的兩端分別加工出安裝孔，U形殼體在前后側(cè)加工出散熱器安裝孔，當散熱器15與U形殼體16用螺絲壓緊后，即形成了一個穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)，具有極強的抗變形能力，獨創(chuàng)的結(jié)構(gòu)可將所有元件全部固定于U形殼體16上，在較寬松的工藝安裝環(huán)境下即可達到較高的安裝精度；4、IGBT輸出銅帶采用獨創(chuàng)的曲折結(jié)構(gòu)對電容與IGBT連接銅帶采用中間絕緣板隔高的人字形層疊結(jié)構(gòu)。其回路圍起面積最小，正負回路相互對應(yīng)，發(fā)射電磁干擾的能力減小，同時其接收干擾的能力也減小；5、潔凈電磁空間主控板是標準功率單元的核心，也是對電磁環(huán)境要求最嚴的地方，采用特制的屏蔽板，結(jié)合U形殼體，在主控板周圍形成電磁屏蔽空間，將電磁干擾最強烈的內(nèi)部銅帶結(jié)構(gòu)全部屏蔽，保持功率變換單元內(nèi)核心控制系統(tǒng)處于安全的電磁兼容環(huán)境下；6、最短IGBT驅(qū)動布線距離IGBT驅(qū)動的信號是屬于電平驅(qū)動，其電壓低，且驅(qū)動電流極小，故極易受干擾，而驅(qū)動信號是單元運行的基準，故其要求從驅(qū)動器到IGBT驅(qū)動端子距離要短，且盡量避免與大電流回路并行，創(chuàng)建空間獨立布線結(jié)構(gòu)，IGBT驅(qū)動回路從主控板專設(shè)的過線孔進行布線，不但距離最短，且不與主回路銅帶并行，符合電磁兼容對其最高的標準。
7、單元內(nèi)的雙風道系統(tǒng)屏蔽板、散熱器表面、U形殼體形成了一個箱形結(jié)構(gòu)，在后側(cè)開出通風孔，與前側(cè)進線孔形成了副風道結(jié)構(gòu)，用于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(cè)進風，后側(cè)出風。用于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范圍內(nèi)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(shù)1、具體的電磁兼容測試項目電快速瞬變脈沖群抗擾度測試；靜電放電抗擾度測試；射頻電磁場輻射抗擾度測試；2、電快速瞬變脈沖群抗擾度測試數(shù)據(jù)
3、靜電放電測試數(shù)據(jù)
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(shè)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于最高頻率輸出狀態(tài)。
在一個小時后，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(tài)指示與測試小箱面板數(shù)據(jù)，高壓變頻標準換流功率單元射頻電磁場輻射環(huán)境測試環(huán)境中工作正常。


圖1是本發(fā)明高壓變頻標準換流功率單元的創(chuàng)新型電氣、電子、結(jié)構(gòu)的技術(shù)方案圖。
圖2是本發(fā)明高壓變頻標準換流功率單元原理圖；圖3是本發(fā)明高壓變頻標準換流功率單元的U形殼體結(jié)構(gòu)圖；圖4是本發(fā)明高壓變頻標準換流功率單元的內(nèi)部銅帶結(jié)構(gòu)圖。
圖5是本發(fā)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(jié)合附圖舉例對本發(fā)明作更詳細的描述結(jié)合附圖1，是本發(fā)明的重點是創(chuàng)新型電氣、電子、結(jié)構(gòu)的技術(shù)方案，即“電容陣列組立式布置于單元底部，散熱器立式布于側(cè)面，另一側(cè)面布置控制板，在控制板與功率器件之間布置屏蔽板。功率器件布置于散熱器表面，使用銅帶進行電氣連接。
結(jié)合附圖2，是本發(fā)明的原理接線圖，其是工頻交流電源(1)接入主回路保險(7)和控制回路保險(2)，從主回路保險(7)接入全橋二極管(8)，二極管輸出正極的電纜通過扼流環(huán)(11)接入電容陣列(9)正極，二極管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(huán)(6)連到整流橋(5)，從整流橋(5)到晶閘管(13)，控制回路保險(2)接入隔離電源變壓器(3)，隔離電源變壓器(3)二次側(cè)接入主控板(4)供電端。主控板(4)輸出IGBT驅(qū)動(15)到IGBT(14)，輸出晶閘管驅(qū)動到晶閘管(13)，電容陣列(9)中的電容接入電容均壓板(10)，并在電容均壓板(10)接入主控板(4)。
結(jié)合附圖3，是本發(fā)明的U形殼體(16)，它是采用普通1.5mm鍍鋅板制成，內(nèi)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(cè)加工散熱器(15)、屏蔽板(17)、工頻交流電源接入端(1)，控制回路保險(2)、隔離電源變壓器(3)、扼流環(huán)(6)、主回路保險(7)、銅帶(12)和側(cè)板(18)的固定孔。獨創(chuàng)的U形結(jié)構(gòu)具有散熱器配套的框架固定結(jié)構(gòu)，具有極強的抗變形能力，可將所有元件全部固定于其上，在較寬松的工藝安裝環(huán)境下即可達到較高的安裝精度。
結(jié)合附圖4，是本發(fā)明的連接銅帶結(jié)構(gòu)，其銅帶12采用1.0銅紫銅板加工后鍍錫，又分為兩種結(jié)構(gòu)，一個是二根銅帶組成的IBGT輸出的曲折結(jié)構(gòu)，另一個是二根銅帶組成的人字形結(jié)構(gòu)，其正負回路相互對應(yīng)，其回路圍起面積最小，發(fā)射電磁干擾的能力減小，同時其接收干擾的能力也減小。
結(jié)合附圖5，是本發(fā)明進行結(jié)構(gòu)安裝，整流橋(5)，IGBT(14)，晶閘管(13)和全橋二極管(8)旁通扼流環(huán)(11)安裝于散熱器(15)表面。電容均壓板(10)安裝于電容陣列(9)側(cè)面。主控板(4)安裝于屏蔽板(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)，控制回路保險(2)、隔離電源變壓器(3)、扼流環(huán)(6)、主回路保險(7)、均裝于U型殼體(16)上。銅帶(12)按附圖3的結(jié)構(gòu)形式進行組裝，最后將側(cè)板(18)組裝。其控制部份空間具有高抗電磁干擾的結(jié)構(gòu)外形。主控板是標準功率單元的核心，也是對電磁環(huán)境要求最嚴的地方，采用特制的屏蔽板，結(jié)合U形殼體，在主控板周圍形成電磁屏蔽空間，將電磁干擾最強烈的內(nèi)部銅帶結(jié)構(gòu)全部屏蔽，保持功率變換單元內(nèi)核心控制系統(tǒng)處于安全的電磁兼容環(huán)境下。IGBT驅(qū)動的信號是屬于電平驅(qū)動，其電壓低，且驅(qū)動電流極小，故極易受干擾。而驅(qū)動信號是單元運行的基準，故其要求從驅(qū)動器到IGBT驅(qū)動端子距離要短，且盡量避免與大電流回路并行。
根據(jù)以上要求，在本發(fā)明中，創(chuàng)建空間獨立布線結(jié)構(gòu)，IGBT驅(qū)動回路從主控板專設(shè)的過線孔進行布線，不但距離最短，且不與主回路銅帶并行，符合電磁兼容對其最高的標準。
權(quán)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，其特征是電容陣列組立式布置于單元底部，散熱器立式布于電容陣列上方的一側(cè)，另一側(cè)布置控制板，在控制板與功率器件之間設(shè)置屏蔽板，功率器件布置于散熱器表面，需要連接的部分之間通過銅帶進行電氣連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓變頻標準換流功率單元，其特征是元件組成為輸入部分包括工頻交流電源接入端1，控制回路包括控制回路保險(2)、隔離電源變壓器(3)、主控板(4)、整流橋(5)和扼流環(huán)(6)；主回路包括主回路保險(7)、全橋二極管(8)、電容陣列(9)、電容均壓板(10)、扼流環(huán)(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)接入主回路保險(7)和控制回路保險(2)，從主回路保險(7)接入全橋二極管(8)，二極管輸出正極的電纜通過扼流環(huán)(11)接入電容陣列(9)正極，二極管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(huán)(6)連到整流橋(5)，從整流橋(5)到晶閘管(13)，控制回路保險(2)接入隔離電源變壓器(3)，隔離電源變壓器(3)二次側(cè)接入主控板(4)供電端。主控板(4)輸出IGBT驅(qū)動(15)到IGBT(14)，輸出晶閘管驅(qū)動到晶閘管(13)，電容陣列(9)中的電容接入電容均壓板(10)，并在電容均壓板(10)接入主控板(4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高壓變頻標準換流功率單元，其特征是殼體為U型殼體(16)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高壓變頻標準換流功率單元，其特征是電容陣列(9)是采用6個400V/4700uF鋁電解電容，三串兩并，用支架固定。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高壓變頻標準換流功率單元，其特征是散熱器(15)是采用型材45DQ230加工而成，兩側(cè)切面設(shè)置有加工絲孔，功率器件在表面橫列安裝，用螺絲固定于U形殼體(16)側(cè)面。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高壓變頻標準換流功率單元，其特征是U形殼體(16)采用普通1.5mm鍍鋅板制成，內(nèi)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(cè)有散熱器(15)、屏蔽板(17)、工頻交流電源接入端(1)，控制回路保險(2)、隔離電源變壓器(3)、扼流環(huán)(6)、主回路保險(7)、銅帶(12)和側(cè)板(18)的固定孔。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高壓變頻標準換流功率單元，其特征是屏蔽板(17)是采用普通1.5mm鍍鋅板制成，在中間對應(yīng)于IGBT(14)的位置加工有直徑24mm的過孔，在朝向主控板(4)內(nèi)側(cè)有一層0.2mm的絕緣板。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高壓變頻標準換流功率單元，其特征是在散熱器(15)表面用螺絲固定、從前到后是整流橋(5)、晶閘管(13)、旁通扼流環(huán)(11)、IGBT(14)和全橋二極管(8)，呈縱向結(jié)構(gòu)，先整流，后H橋逆變。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高壓變頻標準換流功率單元，其特征是銅帶連接結(jié)構(gòu)為在根擾的曲折結(jié)構(gòu)或人字形結(jié)構(gòu)，IGBT輸出1、IGBT輸出2銅帶采用三個絕緣子與U型殼體(16)形成的三點固定結(jié)構(gòu)，其中兩個裝在U形殼體(16)前側(cè)，一個裝于IGBT輸出1、IBGT輸出2銅帶之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的高壓變頻標準換流功率單元，其特征是其IGBT(14)驅(qū)動回路連接是從主控板(4)和屏蔽板(17)共同構(gòu)成的驅(qū)動線過孔進行布線。
全文摘要
本發(fā)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于單元底部，散熱器立式布于電容陣列上方的一側(cè)，另一側(cè)布置控制板，在控制板與功率器件之間設(shè)置屏蔽板，功率器件布置于散熱器表面，需要連接的部分之間通過銅帶進行電氣連接。本發(fā)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(yè)嚴酷等級的電快速脈沖群、靜電放電、射頻場的電磁環(huán)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(yōu)先權(quán)日2006年9月15日
發(fā)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