辅助变流器模块的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种辅助变流器模块，属于电力【技术领域】，解决了现有技术中不便于对辅助变流器模块进行控制的技术问题。该辅助变流器模块，包括主电路和控制电路；所述主电路包括预充电回路、整流单元、支撑电容和逆变单元，外部交流电压经过所述预充电回路对所述支撑电容充电，之后外部交流电压经过所述整流单元转变为所述支撑电容上的直流电压，再经过所述逆变单元将直流电压转变为交流电压；所述控制电路用于向所述逆变单元中的功率开关器件的门极和发射极之间输出打开或关断的控制信号。本发明可用于内燃机车中。
【专利说明】辅助变流器模块
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力【技术领域】，具体地说，涉及一种辅助变流器模块。
【背景技术】
[0002]内燃机车是铁路运输中的重要组成部分。其中，内燃机车中的辅助变流器模块用于实现交流-直流-交流的变流功能，并且为列车辅助用电系统进行供电。
[0003]目前，在内燃机车中，通常采用接触器开启辅助变流器模块的功能。但是，采用接触器的方式损耗大、故障率高，因此存在不便于对辅助变流器模块进行控制的技术问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种辅助变流器模块，以解决现有技术中不便于对辅助变流器模块进行控制的技术问题。
[0005]本发明提供一种辅助变流器模块，包括主电路和控制电路；
[0006]所述主电路包括预充电回路、整流单元、支撑电容和逆变单元，外部交流电压经过所述预充电回路对所述支撑电容充电，之后外部交流电压经过所述整流单元转变为所述支撑电容上的直流电压，再经过所述逆变单元将直流电压转变为交流电压；
[0007]所述控制电路用于向所述逆变单元中的功率开关器件的门极和发射极之间输出打开或关断的控制信号。
[0008]优选的，所述预充电回路包括预充电电阻和充电控制板；
[0009]所述充电控制板用于使外部交流电压经过所述预充电电阻对所述支撑电容充电，还用于驱动所述整流单元中的开关管的打开。
[0010]进一步，所述控制电路包括驱动板、控制板和电源板；
[0011]所述电源板分别与所述驱动板和控制板相连，并为所述驱动板和控制板提供电源；
[0012]所述控制板与所述驱动板相连，所述控制板通过所述驱动板向所述逆变单元中的功率开关器件的门极和发射极之间输出打开或关断的控制信号。
[0013]优选的，所述整流单元为晶闸管组成的三相整流桥。
[0014]优选的，所述逆变单元中的功率开关器件为IGBT。
[0015]优选的，所述支撑电容为一个整体的定制电容。
[0016]进一步，所述主电路上设置有散热器，所述散热器上设置有温度继电器。
[0017]优选的，所述散热器为型材散热器。
[0018]进一步，所述整流单元与所述支撑电容之间，以及所述支撑电容与所述逆变单元之间设置有叠层式结构的复合母排。
[0019]优选的，所述叠层式结构的复合母排包括正母排、负母排和绝缘层，所述绝缘层设置在所述正母排与负母排之间。
[0020]本发明带来了以下有益效果:本发明提供的辅助变流器模块的主电路中设置有预充电回路。在整流单元进行整流之前，可以先通过预充电回路对支撑电容充电，以控制支撑电容上中间电压的大小，当中间电压达到预定大小时，再启动整流单元及逆变单元，进行交流-直流-交流的变流。因此，本发明提供的技术方案能够在不借助接触器等器件的前提下，使辅助变流器模块能在小电流的情况下启动，并在启动完成后，恢复到正常工作电流，从而能够更加方便的控制辅助变流器模块的工作状态。
[0021]本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要的附图做简单的介绍:
[0023]图1是本发明实施例提供的辅助变流器模块的电路图；
[0024]图2是本发明实施例提供的辅助变流器模块的正视图；
[0025]图3是本发明实施例提供的辅助变流器模块的左视图；
[0026]图4是本发明实施例提供的辅助变流器模块的右视图；
[0027]图5是本发明实施例提供的辅助变流器模块的后视图。
【具体实施方式】
[0028]以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
[0029]如图1、图2、图3、图4和图5所示，本发明实施例提供一种辅助变流器模块，包括主电路I和控制电路2。
[0030]主电路包括预充电回路、整流单元12、支撑电容C和逆变单元13，外部交流电压经过预充电回路对支撑电容C充电，之后外部交流电压经过整流单元12转变为支撑电容C上的直流电压，再经过逆变单元13将直流电压转变为交流电压。控制电路用于向逆变单元13中的功率开关器件Vl、V2、V3、V4、V5、V6的门极和发射极之间输出打开或关断的控制信号。
[0031]本实施例中，预充电回路包括预充电电阻Rl、R2、R3和充电控制板11。充电控制板11用于使外部交流电压经过预充电电阻Rl、R2、R3对支撑电容C充电，还用于驱动整流单元12中的开关管Dl、D2、D3的打开。整流单元12为晶闸管Dl、D2、D3组成的三相整流桥。
[0032]控制电路包括驱动板21、控制板22和电源板23。电源板23分别与驱动板21和控制板22相连，并为驱动板21和控制板22提供电源。控制板22与驱动板21相连，控制板22通过驱动板21向逆变单元13中的功率开关器件Vl至V6的门极和发射极之间输出打开或关断的控制信号。该功率开关器件优选为绝缘栅双极型晶体管(Insulated GateBipolar Transistor,简称IGBT)，且均设置有反并联二极管。在其他实施方式中，也可以采用晶闸管、门极可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor,简称GT0)、集成门极换流晶闸管(Intergrated Gate Commutated Thyristor,简称 IGCT)等其他功率开关器件。
[0033]在辅助变流器模块启动时，充电控制板11先将外部440V三相交流电压经过预充电电阻R1、R2、R3对支撑电容C充电，而充电控制板11还可以监控支撑电容C上的电压值。当支撑电容C达到预定的电压后，充电控制板11停止对支撑电容C充电，并打开整流单元12中的晶闸管，使外部交流电压经过整流单元12转变为支撑电容C上的直流电压。
[0034]再由控制板22通过驱动板21向逆变单元13的各个IGBT的门极和发射极之间输出开通或关断控制信号，使支撑电容C上的直流电压经过逆变单元13之后，能够转变为380V三相交流电压。
[0035]作为一个优选方案，支撑电容C为一个整体的定制电容，从而在保证正常功能的前提下，方便支撑电容C的安装与拆卸。此外，支撑电容C并联有放电电阻Rl I，用于在辅助变流器模块停止工作之后，将支撑电容C中存余的电荷放电至安全电压以下。
[0036]如图3和图4所示，主电路上进一步设置有散热器3，散热器3上设置有温度继电器KA1，逆变单元13的输出端设置有电流传感器SC1、SC2、SC3。散热器3优选为型材散热器，不仅降低了成本，并且型材散热器具有更低的热阻，从而提高了辅助变流器模块的散热效率。
[0037]驱动板21能够实现控制板22控制信号的接收，逆变单元13的IGBT的驱动，处理温度信号、电流信号和故障信号并反馈至控制板22。驱动板21通过接收电流传感器SC1、SC2、SC3和温度继电器KAl的信号，经过处理后输出至控制板22，然后由控制板22向驱动板21输出IGBT开通或关断的脉冲控制信号，通过驱动脉冲控制信号的传输或停止来控制IGBT的开通或关断，实现辅助变流器模块的保护功能。另外，通过设置7ΜΩ电阻R21、R22，能够将支撑电容C上的中间电压转变为电流信号，并通过驱动板21将该电流信号传输至控制板22，控制板22可根据中间电压的大小决定是否打开或关断IGBT，从而实现了中间电压的检测，节省了设置电压传感器的空间，也节约了辅助变流器模块的成本。
[0038]电源板23接收IlOV直流电压，并向驱动板21提供± 15V、+5V直流电压，同时向控制板22提供+5V直流电压。IGBT的门极脉冲是由驱动板21提供的，驱动板21在获得土 15V、+5V工作电压和由控制板22提供的SPWM波后，将三相SPWM波转换为+15V、_10V的六路方波脉冲。驱动板21同时监测SPWM波的脉宽，输入驱动板21的+5V电压幅值，以及IGBT的故障信号和过载信号，驱动板21通过监测IGBT集电极和发射极之间的电压判断IGBT的故障和过载。当监测到这些信号出现异常时，驱动板21将封锁脉冲，并将故障信号和过载信号送给控制板22，使控制板22停止发出SPWM波。此外，驱动板21还会将温度继电器KAl采集到得温度信号和电流传感器SC1、SC2、SC3采集的电流信号经过处理后，输出至控制板22。控制板22则是在系统的设置下，继续发出SPWM波或停止发出SPWM波，并将SPWM波发送至驱动板21，从而实现保护功能。整个过程是控制板22发出SPWM波给驱动板21，并从驱动板21上获得反馈信号，再通过与辅助变流器模块外部的上位机系统进行通信，从而决定是否中断或开启脉冲，使整个主电路的IGBT的过程形成一个控制闭环，使得辅助变流器模块整体性更高，能独立实现功能。
[0039]即在辅助变流器模块运行过程中，当驱动板21、温度继电器KA1、电流传感器SC1、SC2、SC3或外部通信接口给出故障信号时，控制板22将封锁SPWM波，辅助变流器模块停止工作，控制板22将进行自检，当故障信号消失后，控制板22发出脉冲，辅助变流器模块开始工作。驱动板21能输出六路触发IGBT开通和关断的脉冲，并对触发逆变单元13上下桥臂之间的脉冲进行了互锁，使得上下桥臂的IGBT不会因为直通而损坏。本发明实施例提供的辅助变流器模块在发生短路故障时，响应速度快，在短路电流很小时就进行了保护，有效保障了 IGBT等功率半导体器件自身的安全。
[0040]本实施例中，整流单元12与支撑电容C之间，以及支撑电容C与逆变单元13 (输出端的铜排130)之间设置有叠层式结构的复合母排4，如图5所示。优选的，叠层式结构的复合母排4可包括正母排、负母排和绝缘层，绝缘层设置在正母排与负母排之间。
[0041]传统的铜排连接容易产生较大的杂散电感，是因为在IGBT关断时，杂散电感会产生一个LsXIs的电压，与主电路的反向关断电压一起作用于将要关断的IGBT上，这使得IGBT上承受的电压过大，而可能损坏IGBT。而通过叠层式结构的复合母排4将整流单元12、支撑电容C、逆变单元13及其输出端铜排相连，通过在正、负母排之间加入绝缘层的方式，将正、负母排叠在一起，使复合母排4本身形成一个类似平板电容的结构，将中和铜排产生的杂散电感，使得复合母排4的杂散电感大大减少。
[0042]本发明实施例提供的辅助变流器模块不仅环保、清洁、损耗低，也使得输出电压更加稳定，波动性更加小，有效降低了损耗，减少了故障率，并且减小了辅助变流器模块的体积，其体积可达到460mmX 367mmX 280mm。辅助变流器模块集成了控制、驱动和功率部分，并集成了保护功能，使辅助变流器模块的集成度更高，使得只需要给辅助变流器模块提供控制电源和主电源就能完成将交流电源进行变压变频的功能，同时还能独立实现运行时的功能，便于对系统进行控制，以及对于辅助变流器模块的维修与更换。通过集成的保护功能，对辅助变流器模块进行故障、电流过大、温度过高的保护，从而保护辅助变流器模块及整个系统的安全。辅助变流器模块内部采用叠层式的复合母排相连，使得辅助变流器模块本身的杂散电感大大减小，也避免了由于浪涌电压过大，对功率开关器件的损害。本发明辅助变流器模块高集成度的结构设计合理，可靠性高，功能完善，便于维修和移植。更为重要的是，通过设置预充电回路，使辅助变流器模块的中间电压可以调节，在不借助接触器等器件的前提下，使辅助变流器模块能在小电流的情况下启动，并在启动完成后，恢复到正常工作电流，从而能够更加方便的控制辅助变流器模块的工作状态。
[0043]虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属【技术领域】内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
【权利要求】
1.一种辅助变流器模块，其特征在于，包括主电路和控制电路； 所述主电路包括预充电回路、整流单元、支撑电容和逆变单元，外部交流电压经过所述预充电回路对所述支撑电容充电，之后外部交流电压经过所述整流单元转变为所述支撑电容上的直流电压，再经过所述逆变单元将直流电压转变为交流电压； 所述控制电路用于向所述逆变单元中的功率开关器件的门极和发射极之间输出打开或关断的控制信号。
2.如权利要求1所述的辅助变流器模块，其特征在于，所述预充电回路包括预充电电阻和充电控制板； 所述充电控制板用于使外部交流电压经过所述预充电电阻对所述支撑电容充电，还用于驱动所述整流单元中的开关管的打开。
3.如权利要求1所述的辅助变流器模块，其特征在于，所述控制电路包括驱动板、控制板和电源板； 所述电源板分别与所述驱动板和控制板相连，并为所述驱动板和控制板提供电源； 所述控制板与所述驱动板相连，所述控制板通过所述驱动板向所述逆变单元中的功率开关器件的门极和发射极之间输出打开或关断的控制信号。
4.如权利要求1至3任一项所述的辅助变流器模块，其特征在于，所述整流单元为晶闸管组成的三相整流桥。
5.如权利要求1至4任一项所述的辅助变流器模块，其特征在于，所述逆变单元中的功率开关器件为IGBT。
6.如权利要求1至5任一项所述的辅助变流器模块，其特征在于，所述支撑电容为一个整体的定制电容。
7.如权利要求1至6任一项所述的辅助变流器模块，其特征在于，所述主电路上设置有散热器，所述散热器上设置有温度继电器。
8.如权利要求7所述的辅助变流器模块，其特征在于，所述散热器为型材散热器。
9.如权利要求1至8任一项所述的辅助变流器模块，其特征在于，所述整流单元与所述支撑电容之间，以及所述支撑电容与所述逆变单元之间设置有叠层式结构的复合母排。
10.如权利要求9所述的辅助变流器模块，其特征在于，所述叠层式结构的复合母排包括正母排、负母排和绝缘层，所述绝缘层设置在所述正母排与负母排之间。
【文档编号】H02M5/44GK104348367SQ201410614495
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年11月4日 优先权日:2014年11月4日
【发明者】李超, 黄长强, 马伯乐, 彭银中, 李诗逸 申请人:南车株洲电力机车研究所有限公司