专利名称：大功率高压变频组合式功率单元的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种大功率高压变频组合式功率单元，用于大功率高压变频 调速装置中，属于高压变频技术领域。
技术背景大功率高压变频器及其相关衍生产品是电力电子行业中尚未最后成功地解 决的一个难题，也是近年来全世界范围内该行业竞相关注的热点，目前，在高压 变频器中通常采用高压变频标准换流功率单元，这种功率单元的详细描述参见中 国申请号为200610010549.4的专利申请。这种功率单元在使用过程中，存在以下一些问题1. 由于其散热器体积和散热量有限，故其功率单元只能满足在较小功率下运 行，而无法适应大功率的高压变频调速装置使用；2. 该功率单元采用电解电容构成的电容阵列，电解电容器虽然容量体积比大， 但耐压不够高，在高压变频调速装置的功率单元中必须串联使用，发热和均 压问题都导致可靠性下降，而且一般的电解电容寿命大致5年，更换工作量 和成本均较高；3. 该功率单元的旁路电路，由现在普遍采用的在逆变桥旁边的单相二极管整流 桥和晶闸管组成，在刚上电时，晶闸管两端的电压为零，当功率模块绝缘栅 双极型晶体管开始正常导通的瞬间，晶闸管就会耐受超过其耐受能力的 dv/dt，这样就容易引起晶闸管的误导通，造成逆变桥输出短路，从而使功 率模块发生故障；4. 该功率单元采用U型壳体结构，虽然比较紧凑，但是对于高压变频调速装置 的整机来说，存在装卸和检修均不方便的问题。发明内容本实用新型的目的是提供一种结构紧凑、容易装配与维护的大功率高压变频 组合式功率单元。为实现以上目的，本实用新型的技术方案是提供一种大功率高压变频组合式 功率单元，其特征在于，由壳体、整流部分、功率逆变部分、外置晶闸管旁路部 分、隔板和轨道滑轮组成，为抽屉式的整流部分和功率逆变部分置于壳体内两侧 的轨道滑轮上,整流部分通过直流连接铜排与功率逆变部分，外置晶闸管旁路部 分置于壳体外的隔板上，与功率逆变部分连接。本实用新型为使整流模块和绝缘栅双极型晶体管模块均达到更佳的散热效 果，故整流部分与功率逆变部分分别为两个相对独立的单元部分，通过铜排连接， 满足电路原理和电气方面的要求；外置晶闸管部分与功率逆变部分相连，在功率 单元发生故障时，起到自动电子旁路而不影响整机正常运行的重要作用。本实用新型的优点是1. 统一标准的抽屉式结构整流单元与功率逆变单元均是抽屉式结构，壳体采 用高压绝緣材料一次模压成型，既保证了高电压绝缘强度和工艺一致性，且 保证抽屉式壳体可互换使用；2. 采用母线铜排结构，可以有效地减少寄生电感，同时，借助四极一次插件连 接铜排的厚度形成正负母线铜排之间的绝缘间隙，既方便了安装，又达到了 绝缘耐压要求。3. 方便的插拔式结构整流单元与功率逆变单元均为插拔式结构，单元壳体中 采用输入输出一次插件、二次插件，而单元壳体与单元整体支架则采用了滑 道和单元轨道滑轮进行支撑连接，与柜体实现了插拔连接，壳体前面板还安 装有单元把手，方便单元的插拔；4. 高标准的互换性功率单元采用绝缘栅双极型晶体管功率模块，驱动电路简 单，技术成熟可靠，另外，功率单元采用模块化结构，同一变频器内的所有 功率单元可以在不进行任何改动的情况下互换，同时，维修也非常方便；35. 相对独立的散热系统为使整流模块和绝缘栅双极型晶体管模块均达到更佳 的散热效果，故整流部分与功率逆变部分分别为两个相对独立的单元部分， 并且整流模块和绝缘栅双极型晶体管模块均有自己独立使用的散热器，使其 提供各自适合的散热功率；6. 优良散热效果的风道系统由于每个单元均采用了一次模压成型的抽屉式结构，且在下部开有进风口，在后部开有出风口，故整个单元结构可以有效地 形成一个风道系统，从后面对整个散热系统进行抽风散热，以使安装于散热 器表面的聱流模块和绝缘栅双极型晶体管模块得到充分冷却降温，严格控制 功率器件的温升不超过额定值，以满足功率器件在额定的温度范围内正常工 作；7. 先进的支撑电容器组支撑电容器组分为四部分，其中一个位于功率逆变单元壳体内部， 一个位于整流桥单元壳体下部，其余两个位于整流桥单元壳体 内部，保证了对电容容量的要求。支撑电容器采用了无极性电力电容，该电 容采用特殊的进口电极绝缘材料，经专门的工艺处理，耐压高容量大，寄生电感小，有自愈能力，发热量极低；8. 优越的外置晶闸管结构将晶闸管装置置于单元壳体以外，不仅使得单元内 部结构更加紧凑、简洁、容易维护，还能够在功率单元发生故障时，起到自 动电子旁路而不影响整机正常运行的重要作用；9. 直插式安装的绝缘栅双极型晶体管驱动板绝缘栅双极型晶体管模块的驱动 信号是否导通，是整个功率单元能否正常工作的最重要的前提条件，但是这 个驱动信号却又极易受到干扰，因此将绝缘栅双极型晶体管的驱动板和吸收 电容器直接安装在绝缘栅双极型晶体管模块上，使绝缘栅双极型晶体管驱动 板与绝缘栅双极型晶体管模块的驱动连接线长度最短，能够很好地达到运行 标准；10. 对称式的絶缘栅双极型晶体管模块安装整流后的直流输入与绝缘栅双极型 晶体管模块完全对称地排布，可以有效降低其分布电感。故将绝缘栅双极型 晶体管模块以两个四极一次插件的中心轴为对称轴，对称排布于散热器上， 这样就使绝缘栅双极型晶体管模块分别到各自连接的直流正负极的距离完全 相同，起到了很好的均流效果，同时降低了分布电感。
图1为大功率高压变频组合式功率单元结构示意图；图2为整流部分结构示意图；图3为功率逆变部分结构示意图；图4为外置晶闸管旁路部分结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。 实施例如图1所示，为大功率高压变频组合式功率单元结构示意图，所述的一种大 功率高压变频组合式功率单元由壳体A、整流部分B、功率逆变部分C、外置晶 闸管旁路部分D、隔板E和轨道滑轮F组成，为抽屉式的整流部分B和功率逆变 部分C装于壳体A内两侧的轨道滑轮F上，达到固定支撑的目的，整流部分B 通过直流连接铜排与功率逆变部分C连接，外置晶闸管旁路部分D安装在壳体A 外的隔板E上，与功率逆变部分C连接，不仅使得单元内部结构更加紧凑、简洁、 容易维护，还能够在功率单元发生故障时，起到自动电子旁路而不影响整机正常 运行的重要作用。如图2所示，为整流部分结构示意图，所述的整流部分B由三相交流输入的 三极一次插件l、快速熔断器2、整流桥组件模块3、支撑电容器4、直流输出的 四极一次插件10、整流桥单元壳体11、整流单元散热器12、单元把手13和整 流单元铜排14组成，三极一次插件1和四极一次插件10安装在整流桥单元壳体 11的后面外側，三极一次插件1与整流桥单元壳体11内的两个侧快速熔断器2 连接，四极一次插件10通过整流桥单元壳体11内的整流单元铜排14与整流桥 组件模块3连接，两个侧快速熔断器2和整流桥组件模块3下面安装整流单元散 热器12，三个支撑电容器4与整流桥组件模块3连接，在整流桥单元壳体ll下 面安装一个支撑电容器4，单元把手13安装在整流桥单元壳体11的前面板。将 散热器12作为负极连接到单元中，不仅可以大大减少铜排的布线连接，使单元 内部简洁明快，同时，也可以起到抗电磁兼容的重要作用。整流单元铜排14采 用3mm厚的紫铜板加工而成，加工前退火处理，加工完成后表面镀镍。采用这种 整体铜排连接的方式，可以使单元内部连接器件大幅减少，还使单元内部走线清 晰，达到使单元简洁明快的效果。如图3所示，为功率逆变部分结构示意图，所述的功率逆变部分C由支撑电 容器组4、吸收电容器5、绝缘栅双极型晶体管模块6、四极一次插件15、 10芯二次插件16、直流母线铜排17、功率逆变单元散热器18、 PCB板盒19、功率逆 变单元壳体20和单元把手13组成，四极一次插件15安装在功率逆变单元壳体 20的后面外側，功率逆变单元壳体20的后面内侧设有10芯二次插件16，功率 逆变单元散热器18设于功率逆变单元壳体20内一侧，上面设有绝缘栅双极型晶 体管模块6和吸收电容器5,绝缘栅双极型晶体管模块6和吸收电容器5连接， 绝缘栅双极型晶体管模块6通过直流母线铜排17与整流部分B的整流桥组件模 块3连接，单元把手13设于功率逆变单元壳体20前面板，在功率逆变单元壳体 20内另一側设有支撑电容器组4和PCB板盒19。功率逆变部分C采用直流母线 铜排17结构，可以有效地减少寄生电感，同时借助四极一次插件15连接直流母 线铜排17的厚度形成正负母线铜排之间的绝缘间隙，既方便了安装，又达到了 绝缘耐压要求；在直流母线铜排17与绝缘栅双极型晶体管模块6之间使用铜柱 连接，这样就使绝缘栅双极型晶体管模块6分别到各自连接的直流正负极的距离 完全相同，为防止煤灰等粉尘进入直流母线铜排17之间的间隙，特别利用特富 龙涂料对直流母线铜排17边缘做了密封处理。功率逆变单元内置的完全封闭的表面镀锌PCB盒，有效地保证了置于PCB 盒内的功率单元控制板卡在功率器件高开关频率所带来的强电磁干扰下能可靠正常地工作。如图4所示，为外置晶闸管旁路部分结构示意图，所述的外置晶闸管旁路部 分D由高频电抗器7、晶闸管8、单相交流输出铜排9、单元控制电源变压器22、 晶闸管散热器23、吸收板24、晶闸管触发板25组成，单相交流输出铜排9与高 频电抗器7和晶闸管8连接，同时与功率逆变部分C的四极一次插件15连接，高 频电抗器7 —侧设有单元控制电源变压器22，与设于晶闸管8 —侧的晶闸管触发 板25连接，晶闸管触发板25通过10芯二次插件16与功率逆变单元壳体20内的 PCB板盒19中电路板相连接，吸收板24设于单元控制电源变压器22—侧，高频 电抗器7、晶闸管8、单元控制电源变压器22、吸收板24和晶闸管触发板25下 面设有晶闸管散热器23。当安置于壳体A外部的外置晶闸管旁路部分D开始工作，与此同时由于晶闸 管8会产生大量热量，如不及时进行有效的散热，将会使晶闸管8温升达到上限而损坏，甚至将会影响整机的正常运行。因此，使用专用晶闸管散热器23即可 有效地解决这一问题，保证晶闸管在工作时能够正常运行。整个组合式功率单元将来自移相变压器的三相交流输入通过整流功率单元 整流后，并经无极性电容滤波支撑，再经H桥逆变器输出单相交流，和同相其 他组合功率单元串联，目前该组合功率单元输出电流可达到1200A。
权利要求1. 一种大功率高压变频组合式功率单元，其特征在于，由壳体(A)、整流部分(B)、功率逆变部分(C)、外置晶闸管旁路部分(D)、隔板(E)和轨道滑轮(F)组成，为抽屉式的整流部分(B)和功率逆变部分(C)置于壳体(A)内两侧的轨道滑轮(F)上，整流部分(B)通过直流连接铜排与功率逆变部分(C)，外置晶闸管旁路部分(D)置于壳体(A)外的隔板(E)上，与功率逆变部分(C)连接。
2. 根据权利要求1所述的大功率高压变频组合式功率单元，其特征在于，所述的 整流部分(B)由三相交流输入的三极一次插件(l)、快速熔断器(2)、整流桥 组件模块(3)、支撑电容器(4)、直流输出的四极一次插件(IO)、整流桥单元壳 体(ll)、整流单元散热器(12)、单元把手(13)和整流单元铜排(14)组成，三极 一次插件(1)和四极一次插件(10)设于整流桥单元壳体(11)的后面外侧，三极 一次插件(1)与整流桥单元壳体(11)内的两个侧快速熔断器(2)连接，四极一次 插件(10)通过整流桥单元壳体(11)内的整流单元铜排(14)与整流桥组件模块 (3)连接，两个侧快速熔断器(2)和整流桥组件模块(3)下面设有整流单元散热 器(12),三个支撑电容器(4)与整流桥组件模块(3)连接，在整流桥单元壳体(11) 下面设有一个支撑电容器(4)，单元把手(13)设于整流桥单元壳体(11)的前面 板。
3. 根据权利要求1所述的大功率高压变频组合式功率单元，其特征在于，所述 的功率逆变部分(C)由支撑电容器组(4)、吸收电容器(5)、绝缘栅双极型晶 体管模块(6)、四极一次插件(15)、 10芯二次插件(16)、直流母线铜排(17)、 功率逆变单元散热器(18)、 PCB板盒(19)、功率逆变单元壳体(20)、单元把 手(13)组成，四极一次插件(15)设于功率逆变单元壳体(20)的后面外侧，功 率逆变单元壳体(20)的后面内侧设有10芯二次插件(16)，功率逆变单元散热 器(18)设于功率逆变单元壳体(20)内一侧，上面设有绝缘栅双极型晶体管模 块(6)和吸收电容器(5)，绝缘栅双极型晶体管模块(6)和吸收电容器(5)连接， 绝缘栅双极型晶体管模块(6)通过直流母线铜排(17)与整流部分(B)的整流桥组件模块(3)连接，单元把手(13)设于功率逆变单元壳体(20)前面板，在功 率逆变单元壳体(20)内另一侧设有支撑电容器组(4)和PCB板盒(19)。 4.根据权利要求1所述的大功率高压变频组合式功率单元，其特征在于，所述 的外置晶闸管旁路部分(D)由高频电抗器(7)、晶闸管(8)、单相交流输出铜 排(9)、单元控制电源变压器(22)、晶闸管散热器(23)、吸收板(24)、晶闸管 触发板(25)组成，单相交流输出铜排(9)与高频电抗器(7)和晶闸管(8)连接， 同时与功率逆变部分(C)的四极一次插件(15)连接，高频电抗器(7)—侧设 有单元控制电源变压器(22)，与设于晶闸管(8) —侧的晶闸管触发板(25)连 接，晶闸管触发板(25)通过10芯二次插件(16)与功率逆变单元壳体(20)内的 PCB板盒(19)中电路板相连接，吸收板(24)设于单元控制电源变压器(22) — 侧，高频电抗器(7)、晶闸管(8)、单元控制电源变压器(22)、吸收板(24)和 晶闸管触发板(25)下面设有晶闸管散热器(23)。
专利摘要本实用新型涉及一种大功率高压变频组合式功率单元，其特征在于，由壳体、整流部分、功率逆变部分、外置晶闸管旁路部分、隔板和轨道滑轮组成，为抽屉式的整流部分和功率逆变部分置于壳体内两侧的轨道滑轮上，整流部分通过直流连接铜排与功率逆变部分，外置晶闸管旁路部分置于壳体外的隔板上，与功率逆变部分连接。本实用新型的优点是结构紧凑、容易装配与维护。
文档编号H02M7/48GK201113775SQ20072007073
公开日2008年9月10日 申请日期2007年6月7日 优先权日2007年6月7日
发明者逯乾鹏, 项立峥, 黄定忠 申请人:上海科达机电控制有限公司