高压功率变换器及其机柜的制作方法

文档序号:7473577阅读:276来源:国知局
专利名称:高压功率变换器及其机柜的制作方法
技术领域
本实用新型涉及功率变换器及其机柜,更具体地说,涉及应用于矿山行业的高压功率变换器及其机柜。
背景技术
电力驱动系统通常包括如电动机一样的用电设备和对输入交流电压进行功率变换的功率变换器;例如,将电网的交流电变换为电动机可用的交流电。功率变换器通常包括相变换器单元,其为每相产生可变交流电压。例如,相变换器单元包括将交流电压变换为直流电压的整流模块、与整流模块连接的直流环节、以及将直流环节的直流电压逆变为交流电压的相模块或逆变模块。通常,交流输出电压包括三相,依此功率变换器通常包括三相整流模块、三相相模块和直流环节。整流模块、直流环节、逆变模块等包括以下一些部件或其中的某些部件重量大、密度大的器件,如电抗器、变压器;半导体器件,或者组合成的模块;控制器件,如电路板、继电器等,考虑EMC因素安装在特定柜体;其他器件,如电缆等无源器件;某些特殊应用下的水冷系统。电压源型高压功率变换器,电压范围3300V到4160V,功率范围2000kW到5000kW。考虑到实际应用,现有的矿井用高压功率变换器至少存在如下技术问题中的一项功率变换器需要根据客户订制,比如满足矿井标准、环境条件,应用,运输,安装和维修;恶劣矿井环境下的可靠性较差;电压等级高,部件的体积较大;因为工艺高质量、重复性高,整机质量高的要求,组装比较复杂;无模块化设计;和冷却性和易维护性能有待改进。

实用新型内容针对上述技术问题,本实用新型提供一种高压功率变换器机柜,包括用于容纳整流模块的第一柜体、用于容纳逆变模块的第二柜体、用于容纳输出滤波模块的第三柜体和用于容纳冷却模块和控制模块的第四柜体。其中,第一柜体、第二柜体、第三柜体和第四柜体依此被布置成一排。通过采用图IA和图IB所示的高压功率变换器机柜的结构,可满足矿井环境对高压功率变换器的高度有要求。比如,将高压功率变换器高度限制为不超过1400mmo此外,高压功率变换器在矿井环境也会有其他特殊安装要求;比如对于不同的高压功率变换器外形,高压功率变换器柜体之间距离有所不同;比如,柜体间为等距500mm的高压功率变换器;高压功率变换器的最大高度为1400mm,最大深度为1200mm,使得高压功率变换器柜可以安放于矿井中。根据本实用新型的另一方面,提供一种采用上述功率变换器柜的高压功率变换器。包括进线电源单元,包括容纳整流模块的第一柜体;逆变单元,包括容纳逆变模块的第二柜体;输出滤波单元,包括容纳输出滤波模块的第三柜体;和冷却和控制单元,包括容纳冷却模块和控制模块的第四柜体;其中沿功率变换流向,进线电源单元、逆变单元和输出滤波单元依此电气连接;沿控制信号流向,冷却和控制单元的控制模块与进线电源单元、逆变单元和输出滤波单元中的每一个信号连接;在冷却和控制单元、进线电源单元、逆变单元和输出滤波单元中形成冷却液通道的冷却液管。通过采用上述模块化结构,高压功率变换器可由几个独立柜体组成,由此可按照多种方式组装。这使得高压功率变换器可以在不同的生产线装配,为高压功率变换器的生产提供方便。

图IA和IB示出根据本实用新型一个实施例的高压功率变换器机柜的透视图;图2示出根据图IA或IB的高压功率变换器柜的柜体框架;图3A、3B、3C和3D分别示出图2所示机柜框架的型材的放大图; 图4示出3A、3B、3C和3D的型材的连接图;图5A和5B分别示出采用根据图IA和IB所示的高压功率变换器柜的高压功率变换器;图5C示出根据图5A或5B的高压功率变换器的模块图;图6为根据本实用新型一个实施例的进线电源单元的侧视图;图7A为根据本实用新型一个实施例的逆变单元的主视图;图7B为根据本实用新型一个实施例的逆变单元的侧视图;图8示出根据本实用新型一个实施例的输出滤波单元的侧视图;和图9示出根据本实用新型一个实施例的冷却和控制单元的侧视图。
具体实施方式
图IA和IB示出根据本实用新型一个实施例的高压功率变换器机柜的透视图。图中虚线表示透视部分。如图IA和IB所示,高压功率变换器机柜I包括第一柜体10、第二柜体11、第三柜体12和第四柜体13,并且第一柜体10、第二柜体11、第三柜体12和第四柜体13依此被布置成一排。第一柜体10用于容纳整流模块,第二柜体11用于容纳逆变模块,第三柜体12用于容纳输出滤波模块,第四柜体13用于容纳冷却模块和控制模块。第一柜体10、第二柜体11、第三柜体12和第四柜体13分别包括前板100、110、120、130,底板101、
111、121、131,顶板 102、112、122、132,侧板 103、113、123、133 和后板 104、114、124、134。图IA所示的高压功率变换器机柜I中相邻的两个柜体通过侧板连接,比如第一柜体10和第二柜体11、第二柜体11和第三柜体12、以及第三柜体12和第四柜体13通过侧板113、123、133连接;图2A所示的高压功率变换器机柜I中相邻的两个柜体相距存在IOOmm至500mm的距离,比如第一柜体10和第二柜体11、第二柜体11和第三柜体12、以及第三柜体12和第四柜体13之间的距离范围为IOOmm至500mm。通过采用图IA和图IB所示的高压功率变换器机柜的结构,可满足矿井环境对高压功率变换器的高度有要求。比如,将高压功率变换器高度限制为不超过1400mm。此外,高压功率变换器在矿井环境也会有其他特殊安装要求;比如对于不同的高压功率变换器外形,高压功率变换器柜体之间距离有所不同;比如,柜体间为等距500mm的高压功率变换器;高压功率变换器的最大高度为1400mm,最大深度为1200mm,使得高压功率变换器柜可以安放于矿井中。图2示出根据图IA或IB的高压功率变换器柜的柜体框架。如图2所示,高压功率变换器的柜体包括柜体框架2。比如,第一柜体10包括第一柜体框架,第二柜体11包括第二柜体框架,第三柜体12包括第三柜体框架,第四柜体13包括第四柜体框架。如图2所示,每个柜体框架2包括多个彼此连接并限定一室20的型材21。图3A、3B、3C和3D分别示出图2所示机柜框架的型材的放大图。例如,图2中a区域中的型材为图3A所示的C-形型材,图2中b区域中的型材为图3B所示的方-形型材。图2中c区域为两个型材的连接区域,其放大图如图3C所示C-形型材21的连接端固定连接有连接-型材31,其固定连接到C-形型材21的型材体30。通过连接-型材31将C-形型材21和与其相邻的型材固定,以便组成相应的柜体框架。图2中d区域为两个型材的连接区域,其放大图如图3D所示方形-形型材21的连接端固定连接有连接-型材33,其固定连接到方形-形型材21的型材体32。通过连接-型材33将方形-形型材21和与其相邻的型材固定,以便组成相应的柜体框架。·图4示出3A、3B、3C和3D的型材的连接图。如图4所示,C-形(或方-形)型材21固定连接有连接-型材31 (或33)。延每个型材开有多个孔40,并且连接-型材33上也开有多个孔41。多个紧固件41 (比如螺钉或铆钉)通过连接区域的孔40,41将C-形(或方-形)型材21固定连接。最好,孔40,41之间的距离是相同的。通过采用图2至图4所示的机柜框架,机柜的强度得到提高。此外,对于特殊的应用领域,比如矿井(变频器面临频繁的震动),因为C-形或方-形型材上预开有孔,所以可以利用该孔对机柜框架添加额外的型材来进一步提高柜体的强度,从而提高恶劣矿井环境下的可靠性。即,C-形或方-形梁结构可以保证高压功率变换器的结构强度,也可以方便其他的结构增强设计。图5A和5B分别示出采用根据图IA和IB所示的高压功率变换器柜的高压功率变换器。为了能显示内部结构,柜体的前板没有安装。如图5A和5B所示,高压功率变换器5包括进线电源单元50、逆变单元51、输出滤波单元52和冷却和控制单元53。进线电源单元50包括容纳整流模块500的第一柜体10,逆变单元51包括容纳逆变模块510的第二柜体11,输出滤波单元52包括容纳输出滤波模块520的第三柜体12,冷却和控制单元53包括容纳冷却模块530 (在柜体的后部)和控制模块531的第四柜体13。在冷却和控制单元53、进线电源单元51、逆变单元52和输出滤波单元53中形成冷却液通道的冷却液管54。考虑到矿井应用,高防护等级是必须的。水冷却高压功率变换器是最优的选择。图5C示出根据图5A或5B的高压功率变换器的模块图。如图5C所示,沿功率变换流向(箭头A所示),进线电源单元50、逆变单元51和输出滤波单元52依此电气连接,沿控制信号流向(箭头B所示),冷却和控制单元53的控制模块531与进线电源单元50、逆变单元51和输出滤波单元52中的每一个信号连接。由于输出滤波单元可抑制高频谐波的输出,该高压功率变换器可适用于较长电机电缆(5km)采矿配置。通过采用上述模块化结构,高压功率变换器可由几个独立柜体组成,由此可按照多种方式组装。这使得高压功率变换器可以在不同的生产线装配,为高压功率变换器的生产提供方便。图6为根据本实用新型一个实施例的进线电源单元的侧视图,为了能显示内部结构,第一柜体10的前板和左侧板没有安装。如图6所示的进线电源单元50,在第一柜体10内,包括整流模块500、电阻板501、接地开关502和安装了风机的空水交换器503。在第一柜体10的下部和上部分别安装有一个进水管540和出水管,这些水管为第一柜体10内的部分电子器件提供冷却水。进水管540和出水管541可以和旁边的其他柜体直接连接。整流模块500是一个水冷却的模块,包括一个整流二极管组件和一个保护IGCT组件。整流模块500通过螺栓和其他绝缘件安装在第一柜体10的柜体框架2上。整流模块500有一个冷水入口和一个热水出口。整流模块500与逆变单元51的直流环节模块的直流电容通过电缆和铜排直接连接。电阻板501安装有一些空冷电阻和一只电容。这些器件按照功能排列,方便维护和装配。图7A为根据本实用新型一个实施例的逆变单元的主视图,为了显示内部结构,前 板没有安装。如图7A所示的逆变单元51,在第二柜体11内,安装有逆变器模块510、两个IGCT驱动电源511、直流环节模块(未示出)、箝位模块(未示出)和安装了风机的空水交换器(未不出)。在第二柜体11的下部和上部分别安装有一个进水管540和出水管541,这些水管为第二柜体11内的部分电子器件提供冷却水。进水管540和出水管541可以和旁边的其他柜体直接连接。逆变器模块510是一个水冷却的模块,包括一组由绝缘门极控制晶闸管IGCT和二极管组成的组件。这些组件受高压功率变换器控制单元的门极信号控制,可以将直流电压逆变。通过IGCT的开关动作,在逆变单元51的输出端得到逆变电压。门极驱动供电电源安装在柜体前部靠近逆变模块的同时方便维护。逆变模块有一个冷水入口和一个热水出口。图7B为根据本实用新型一个实施例的逆变单元的侧视图。如图7B所示,直流环节模块512和箝位模块513可见。直流环节512由一组电容器组成,安装在第二柜体11的柜体框架2上。电容组可以由空冷电容组成也可以由水冷电容组成。电容为自愈式直流电容。直流环节模块和电容器通过螺栓和其他附件安装在框架上然后固定在第二柜体11的柜体框架2上。电容器之间通过铜排并联连接。箝位模块513由两套水冷电抗器和水冷电阻组成。模块通过螺栓和其他附件安装在框架上后固定在第二柜体11的柜体框架2上。在图7B中,可以看到空气的流动方向,风机将冷却后的空气吹向逆变模块510。通过采用上述配置的逆变单元,其结构紧凑、维护快速,直流储能电容-位置独特、有效降低杂散电感,并且箝位器件-有效降低电流上升率引起的风险。图8示出根据本实用新型一个实施例的输出滤波单元的侧视图。为了显示内部结构,前板和左侧板没有安装。如图8所示的输出滤波单元52,在第三柜体12内,安装有输出滤波模块520、电流检测模块521和安装了风机的空水交换器522。在第三柜体12的下部和上部分别安装有进水管540和出水管541,这些水管为第三柜体12内的部分电子器件提供冷却水。进水管540和出水管541可以和旁边的其他柜体直接连接。输出滤波模块52为水冷却的模块。由滤波电抗器和一组电容器组成。电抗器有一个冷水入口和一个热水出口。电容器通过螺栓和其他附件安装在框架上然后固定在第三柜体12的柜体框架2上。电容器之间通过铜排并联连接。如图8所示,可以看到空气的流动方向,风机将冷却后的空气吹向滤波电抗器520。图9示出根据本实用新型一个实施例的冷却和控制单元的侧视图。为了显示内部结构,前板和左侧板没有安装。如图9所示的冷却和控制单元53,在第四柜体13内,安装有控制模块531和冷却模块530。在第四柜体13的上部和下部分别安装有进水管540和出水管541,这些水管为其他柜体10、11、12提供冷却水。控制模块531包括了控制高压功率变换器的控制模块,比如IGCT的开关控制信号。冷却模块530用来提供满足高压功率变换器整机需要的低离子度冷却水。例如,冷却模块530包括热交换器5300,其包括用于冷却液循环的冷却液入口和冷却液出口 ;和驱动冷却液循环的泵5301。如图9所示,可以看到空气的流动方向,风机将冷却后的空气吹向控制模块531。控制模块531安装在柜体前部,而冷却模块530安装在柜体后部。对于各个单元采用模块化设计,减低了组装的复杂度、提高了冷却效率并且改善了维护性能。其他三个柜体也是同样的设计方式。所有的部件都可以预装配后再安装在柜体框架上,这种设计可以提高装配质量。易维护性主要体现在可以快速的更换功率半导体 器件和电路板等,更换过程简单快速,不需要很高的技术能力。高压功率变换器内各个柜体内的水管都在同一个水平,可以直接连接。每个柜体内中空气的温度通过空水交换器冷却。柜体间的距离可以为0或者从100毫米到500毫米。冷却和控制单元的柜体的方向可以如图5A或5B所示,或者旋转90度。虽然已参照本实用新型的某些优选实施例示出并描述了本实用新型,但本领域技术人员应当明白,在不背离由所附权利要求书所限定的本实用新型的精神和范围的情况下,可以在形式上和细节上对其做出各种变化。
权利要求1.一种高压功率变换器机柜,包括 用于容纳整流模块的第一柜体; 用于容纳逆变模块的第二柜体; 用于容纳输出滤波模块的第三柜体;和 用于容纳冷却模块和控制模块的第四柜体; 其中 第一柜体、第二柜体、第三柜体和第四柜体依此被布置成一排。
2.如权利要求I所述的高压功率变换器机柜,其中 每个柜体包括柜体框架,该柜体框架包括多个彼此连接并限定一室的型材。
3.如权利要求2所述的高压功率变换器机柜,其中相邻的两个柜体通过侧板连接。
4.如权利要求2所述的高压功率变换器机柜,其中相邻的两个柜体之间存在100_至500臟的距离。
5.如权利要求2所述的高压功率变换器机柜,其中 彼此连接的两个型材之一包括位于其连接端的连接-型材,通过该连接-型材将所述两个型材固定。
6.如权利要求2所述的高压功率变换器机柜,其中型材为C-形型材或方形型材。
7.如权利要求2所述的高压功率变换器机柜,还包括 多个紧固件; 其中 延每个型材开有多个孔; 连接-型材上开有多个孔;并且 紧固件通过连接区域的孔将所连接的型材固定。
8.一种包括如权利要求I至7之一所述的高压功率变换器柜的高压功率变换器,包括 进线电源单元,包括容纳整流模块的第一柜体; 逆变单元,包括容纳逆变模块的第二柜体; 输出滤波单兀,包括容纳输出滤波模块的第三柜体;和 冷却和控制单元,包括容纳冷却模块和控制模块的第四柜体; 其中 沿功率变换流向,进线电源单元、逆变单元和输出滤波单元依此电气连接; 沿控制信号流向,冷却和控制单元的控制模块与进线电源单元、逆变单元和输出滤波单元中的每一个信号连接; 在冷却和控制单元、进线电源单元、逆变单元和输出滤波单元中形成冷却液通道的冷却液管。
9.如权利要求8所述的高压功率变换器,其中 整流模块、逆变模块、输出滤波模块、及冷却模块和控制模块分别固定地连接到第一、第二、第三和第四机柜的柜体框架。
10.如权利要求8所述的高压功率变换器,其中 冷却模块包括热交换器,其包括用于冷却液循环的冷却液入口和冷却液出口 ;和驱动冷却液循环的泵。
11.如权利要求8所述的高压功率变换器,还包括电气连接进线电源单元、逆变单元和输出滤波单元的电气线缆。如权利要求8所述的高压功率变换器,其中第一、第二、第三和/或第四柜体包括容纳在室内的、用于循环室内空气的风机。
专利摘要本实用新型提供一种高压功率变换器及其机柜。高压功率变换器机柜包括用于容纳整流模块的第一柜体、用于容纳逆变模块的第二柜体、用于容纳输出滤波模块的第三柜体和用于容纳冷却模块和控制模块的第四柜体。其中,第一柜体、第二柜体、第三柜体和第四柜体依此被布置成一排。通过采用上述结构,可满足矿井环境对高压功率变换器的高度有要求。
文档编号H02B1/56GK202444188SQ201220078708
公开日2012年9月19日 申请日期2012年3月1日 优先权日2012年3月1日
发明者埃里克·苏特尔, 高丁丁 申请人:Abb技术有限公司
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