三电平高压大功率水冷变频器系统的制作方法

本发明涉及一种变频器，具体涉及一种三电平可拓展桥臂并联高压大功率水冷变频器，属于电气控制结构部件技术领域。

背景技术：

目前大功率变频器应用技术（cn201420283871.4发明专利）已经比较成熟，大多数都可以实现相应的模块化设计，为了提高功率元器件的散热效率也正在逐步采用日渐完善的水冷散热方式，极大的提升了整机的输出功率，但是当输出功率提升到一定程度后，变频器整体结构体积严重超过现场使用环境需求：现有技术的散热水冷版采用传统的单流道串联结构，散热效率较低、损耗大；传统的变频器单个功率单元模组内部一般采用单桥臂模式，现有技术的三电平上下桥臂是分开安装在一块水冷板的双侧，每项功率单元模组只能实现单一桥臂的变频功能，所以需要2套变频器柜体才能实现完整的三电平交直交整流、逆变变频器功能，导致现有的变频器结构体积太大；由于一个桥臂的元器件安装在水冷板两侧，上下桥臂回路较长，需要使用过压吸收电容压制母线过压；每项功率元器件的控制、触发、信号传输、远程监控、供电等功能都需要单独采用一组光纤和电源线，所以每项功率单元模组对外都需要连接大量的光纤和电源线，导致整体接线混乱；除功率单元模组外，其他组件布置混乱、分散，不利于拓展应用范围；而采用多台变频器并联方式时，由于功率单元模组相互间并联距离相对较远，因为内部元器件参数的分散性，有可能在多台变频器之间形成危害很大的环流，无法有效地抑制母线过压，直接影响系统的安全性；因为缺少有效的监控保护手段，无法实时检测水冷板、功率元器件工作状态，而导致功率管频频损坏。因此急需一种新的设计方案解决这些技术问题。

技术实现要素：

本发明正是针对现有技术中存在的技术问题，提供了一种三电平可拓展桥臂并联高压大功率水冷变频器，整套变频器系统采用桥臂并联结构，整体设计更紧凑，可以有效的减少系统环流，抑制了母线过压等问题，而变频器在现有结构体积的基础上实现2-3倍的输出功率提升。通过双桥臂功率单元模组内部左右桥臂并联、双桥臂功率单元模组并联等不同方式、数量进行组合，灵活多样化实现变频器多种输出功率的拓展，适应不同输出功率需求的应用场合；在空间占有率、成本对比、性能稳定可靠、输出功率扩容等方面都占据了极大的性能优势，进一步提高了产品输出功率的应用范围。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种三电平高压大功率水冷变频器系统，其特征在于，包括：全数字调节柜、基于双桥臂功率单元的变频器柜、水循环散热系统柜；所述全数字调节柜2基于双桥臂功率单元的变频器柜、水循环散热系统柜从左至右相互组装并柜形成一套完整的高压大功率水冷变频器系统。

作为本发明的一种改进，所述的全数字调节柜2包含核心控制模组、辅助供电系统、人机对话系统以及柜体，所述核心控制模组采用dsp+fpga结构的矢量控制器，以32位数字型号处理器为核心；实现速度闭环控制、单位功率因数控制、变频矢量控制、电流闭环控制、故障诊断等功能。安装在全数字调节柜体前部；所述辅助供电系统用于为整个系统辅助控制提供稳定的运行电源，安装在柜体后部；所述人机对话系统采用触摸屏人机对话操作界面，安装在柜体前部中间位置。

作为本发明的一种改进，所述的基于双桥臂功率单元的变频器柜包含柜体以及安装在柜体内的三组双桥臂功率单元模组、放电模组、传感器模组、备用拓展支撑电容模组，所述双桥臂功率单元模组安装在柜体前部；所述放电模组通过螺栓固定在柜体上部左侧，所述传感器模组通过螺栓固定在柜体上部右侧，所述备用拓展支撑电容模组设置在双桥臂功率单元模组上方。基于双桥臂功率单元的变频器采用了afe有源前端技术，先进的背靠背三电平交直交变频方式，保证变频器电源侧稳定的实现四象限运行。其中功率单元模组采用双桥臂方式，功率单元模组内水冷板两侧，每侧单独设计三电平变频器一个桥臂，分别实现单桥臂的整流、逆变功能，作为普通变频器柜使用，三套功率单元模组实现一个具备完整整流、逆变功能的变频器柜。需要扩展变频器输出功率时，左右可以进行桥臂并联，单独实现整流或者逆变功能，优化后的结构可以有效地抑制母线过压、变频器并联的环流问题，高整机性能。

作为本发明的一种改进，所述双桥臂功率单元模组包含单元壳体组件以及设置在壳体内部的散热水冷板、功率器件、两项单桥臂交流叠层母线、直流支撑叠层母线和直流支撑电容；所述散热水冷板两侧，每侧均布一个桥臂的功率器件，安装一项单桥臂交流叠层母线，单独设计成一项三电平变频器桥臂；所述直流支撑叠层母线安装在两项单桥臂交流叠层母线上部，连接两项单桥臂交流叠层母线3直流侧，直流支撑电容安装在直流支撑叠层母线上。所述双桥臂功率单元模组采用三电平主回路拓扑结构，产生5阶输出线电压，电流畸变率低，电磁噪音小，动静态性能优良，且开关频率低，损耗小、效率高，实现真正意义上的主动四象限运行。在双桥臂功率单元模组内部水冷板两侧，每侧单独设置一项三电平变频器桥臂，分别实现单桥臂的整流、逆变功能，三套双桥臂功率单元模组安装在柜体前部；需要扩展变频器输出功率时，所述双桥臂功率单元模组左右进行桥臂并联，单个功率单元模组实现一个整流或者逆变功能，所述散热水冷板内在现有技术双面安装的基础上，采用新型的三流道并联方式，在保证水冷板散热效率的基础上大幅度减少供水流量、流损；流道内采用细齿式结构，使冷却液形成波浪式流动，进一步加大散热效果，有效减小水循环系统装机容量，节约整机成本。

作为本发明的一种改进，所述水循环散热系包含水-风热交换器、主循环水泵、膨胀气囊、去离子系统及监测控制系统，所述主循环水泵、离子系统、补水泵通过系统管路采用螺栓、法兰连接方式固定安装在机芯框架下部，膨胀气囊、监测控制系统采用螺栓连接方式固定安装在机芯框架上部，去水-风热交换器固定在室外进行热交换。

作为本发明的一种改进，变频器系统还包括励磁绕组柜，所述励磁绕组柜设置在全数字调节柜的另一侧。

作为本发明的一种改进，所述励磁绕组系统柜包含可控硅整流模组、过压保护模组、阻容吸收模组、控制模组以及风冷散热系统；所述风冷散热系统设置在柜体的上方，所述控制模组设置在柜体内部，所述可控硅整流模组、过压保护模组、阻容吸收模组设置在控制模组的上方，所述可控硅整流模组、过压保护模组、阻容吸收模组、控制模组及风冷散热系统通过螺栓、导轨等连接方式固定安装在柜体相应位置。该方案励磁绕组系统采用三相6脉冲拓扑原理，设置快速熔断回路、过压保护模组、阻容吸收模组、控制模组、风冷散热系统增加快熔保护功能，快速吸收系统交流的尖峰电压，降低di/dt，有效抑制操作过电压的瞬间振荡和高频电流，避免过电流而损坏晶闸管，提高晶闸管使用寿命，大大提高系统可靠性。

作为本发明的一种改进，所述可控硅整流模组包括模组风道框架、六支可控硅晶闸管、六个可控硅散热器、快速熔断器、电流传感器及连接铜排；所述模组风道框架，采用绝缘材料，整体设计成三路散热风道，与柜体风道配合形成一个完整的散热循环回路；所述1支可控硅晶闸管和1个可控硅散热器组装在一起形成一个模块，六个模块沿着模组风道框架滑道安装；所述快速熔断器安装在可控硅整流模组前侧；所述可控硅散热器下部模组风道框架风道内增加rc阻容吸收回路；所述可控硅晶闸管、可控硅散热器、快速熔断器、电流传感器通过连接铜排相互连接，整体与风道设计成一个可控硅整流装配模组，安装在柜体上部。

作为本发明的一种改进，所述可控硅整流模组采用三相6脉冲拓扑结构，所述过压保护模组由压敏电阻、快速熔断器组成过压保护电路，模组化设计方便安装维护，连接在系统交流侧，快速吸收系统交流的尖峰电压，降低di/dt，保护可控硅；所述阻容吸收模组103由吸收电容、吸收电阻、可控硅整流模块组成rc吸收回路，模组化设计方便安装维护，可有效抑制操作过电压的瞬间振荡和高频电流，避免过电流而损坏晶闸管，提高晶闸管使用寿命。所述控制模组由光纤控制板、继电器、开关电源、绝缘监视仪组成，所有电子元器件组装在一个安装板上，形成一个控制模组，通过光纤控制板及继电器控制、传输，通过光纤传输、接受信号到全数字调节系统柜，从而控制、触发可控硅整流模组系统组件，大大提高系统可靠性。所述的风冷散热系统由大功率散热风机、负压检测传感器、柜体风机罩、风道组成；所述散热风机选取大散热功率的风机，安装在柜体风机罩内，提供励磁绕组系统柜完整的负压散热循环；所述负压检测传感器设计安装在风道内，检测风机是否正常运行；所述风冷散热系统为整个系统运行提供一个更稳定的工作环境。

当三电平高压大功率水冷变频器系统需要扩展功率时，可采用双桥臂功率单元模组内部左右桥臂并联、双桥臂功率单元模组并联或基于双桥臂功率单元的变频器柜方式的一种或多种组合。

相对于现有技术，本发明具有如下优点，

1）三电平可拓展桥臂并联高压大功率水冷变频器的变频器柜在现有结构1/2体积的基础上作为普通变频器使用时，一套励磁绕组柜、一套全数字调节柜、基于双桥臂功率单元的变频器柜、一套水循环散热系统柜，实现完整整流、逆变功能的变频器1.5倍的输出功率提升。在空间体积利用上设计更加合理、紧凑，能够有效的实现快速安装维护、模块化管理。

2）变频器因为需要扩展更大的整机输出功率采用桥臂并联方式时，同样的结构体积整机可以实现具有完整变频器功能2-3倍的输出功率提升；解决了多台变频器并联因为内部元器件参数的分散性，而形成危害很大的环流，同时有效地抑制母线过压，极大的提升了系统的安全性。

3）励磁绕组柜采用三相6脉冲可控硅整流模组结构，完成对同步机电动机转子册励磁电流的调节功能，整机具有快熔、温度、过压保护功能，快速对交流测进线电压与变压器二次侧电压进行匹配，同时对于可控硅具有完整的rc吸收功能。大大提升了系统的可靠性。

4）全数字调节柜采用dsp+fpga结构的矢量控制器，以32位数字型号处理器为核心；实现速度闭环控制、单位功率因数控制、变频矢量控制、电流闭环控制、故障诊断等功能。

5）整个方案在空间体积利用上设计更加合理、紧凑，能够有效的实现快速安装维护、模块化管理，大大降低了材料、维护、生产成本。

附图说明

图1为本发明的三电平可拓展桥臂并联高压大功率水冷变频器结构示意图。

图2为本发明的励磁绕组柜结构示意图。

图3为本发明的桥臂并联变频器柜结构示意图。

图4为本发明的双桥臂功率单元模组柜结构示意图。

图5为功率单元模组结构示意图；

图中：1、励磁绕组柜，2、全数字调节柜，3、桥臂并联变频器柜，4水循环散热系统柜，101、可控硅整流模组，102、过压保护模组，103、阻容吸收模组，104、直控制模组，105、风冷散热系统，106、励磁绕组柜柜体，301、功率单元模组，302、放电模组，303、传感器模组，304、备用拓展支撑电容模组，305、桥臂并联变频器柜柜体,1011、模组风道框架，1012、可控硅晶闸管，1013、可控硅散热器，1014、快速熔断器，1015、电流传感器，1016、连接铜排；3011、散热水冷板，3012、大功率全控型功率器件，3013、单桥臂交流叠层母线，3014、直流支撑叠层母线，3015、直流支撑电容，3016、监控模组，3017、扰流风机，3018、单元壳体组件。

具体实施方式：

为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。

实施例1：参见图1，一种三电平高压大功率水冷变频器系统，包括：全数字调节柜2、基于双桥臂功率单元的变频器柜3以及水循环散热系统柜4；所述全数字调节柜2、基于双桥臂功率单元的变频器柜3、水循环散热系统柜4从左至右相互组装并柜形成一套完整的高压大功率水冷变频器系统，整套变频器系统采用双桥臂并联结构，整体结构方案可以更加灵活的适应多种输出功率需求的应用场合，根据实际需要，也可以增加励磁绕组柜1，所述励磁绕组柜1设置在全数字调节柜2的一侧。在空间体积利用上设计更加合理、紧凑，实现快速安装维护、模块化管理，单侧桥臂布局可以有效的减少系统环流，抑制了母线过压等问题。

实施例2：参见图1，作为本发明的一种改进，所述的全数字调节柜2包含核心控制模组、辅助供电系统、人机对话系统以及柜体，所述核心控制模组采用dsp+fpga结构的矢量控制器，以32位数字型号处理器为核心；实现速度闭环控制、单位功率因数控制、变频矢量控制、电流闭环控制、故障诊断等功能。安装在全数字调节柜体前部；所述辅助供电系统用于为整个系统辅助控制提供稳定的运行电源，安装在柜体后部；所述人机对话系统采用触摸屏人机对话操作界面，安装在柜体前部中间位置。

实施例3：参见图1、图3，所述的基于双桥臂功率单元的变频器柜3包含柜体305以及安装在柜体内的三组双桥臂功率单元模组301、放电模组302、传感器模组303、备用拓展支撑电容模组304，所述双桥臂功率单元模组301安装在柜体前部；所述放电模组302通过螺栓固定在柜体上部左侧，所述传感器模组303通过螺栓固定在柜体上部右侧，所述备用拓展支撑电容模组204设置在双桥臂功率单元模组301上方。基于双桥臂功率单元的变频器采用了afe有源前端技术，先进的背靠背三电平交直交变频方式，保证变频器电源侧稳定的实现四象限运行。其中功率单元模组采用双桥臂方式，功率单元模组内水冷板两侧，每侧单独设计三电平变频器一个桥臂，分别实现单桥臂的整流、逆变功能，作为普通变频器柜使用，三套功率单元模组实现一个具备完整整流、逆变功能的变频器柜。需要扩展变频器输出功率时，左右侧桥臂可以进行桥臂并联，单独实现整流或者逆变功能，优化后的结构可以有效地抑制母线过压、变频器并联的环流问题，高整机性能。

参见图4，所述双桥臂功率单元模组301包含散热水冷板3011、大功率全控型功率器件3012、单桥臂交流叠层母线3013、直流支撑叠层母线3014、直流支撑电容3015、智能监控模组3016、扰流风机3017、单元壳体组件3018，所述散热水冷板3011内在现有技术双面安装的基础上，采用新型的三流道并联方式，在保证水冷板散热效率的基础上大幅度减少供水流量、流损；流道内采用细齿式结构，使冷却液形成波浪式流动，进一步加大散热效果，有效减小水循环系统装机容量，节约整机成本。所述散热水冷板两侧，每侧均布一个桥臂的功率器件3012，安装一项单桥臂交流叠层母线，单独设计成一项三电平变频器桥臂；所述直流支撑叠层母线3014安装在两项单桥臂交流叠层母线3013上部，连接两项单桥臂交流叠层母线3013直流侧，直流支撑电容3015安装在直流支撑叠层母线3014上。所述双桥臂功率单元模组301采用三电平主回路拓扑结构，产生5阶输出线电压，电流畸变率低，电磁噪音小，动静态性能优良，且开关频率低，损耗小、效率高，实现真正意义上的主动四象限运行。在双桥臂功率单元模组内部水冷板两侧，每侧单独设置一项三电平变频器桥臂，分别实现单桥臂的整流、逆变功能，三套双桥臂功率单元模组安装在柜体前部；需要扩展变频器输出功率时，所述双桥臂功率单元模组左右进行桥臂并联，单个功率单元模组实现一个整流或者逆变功能。参见图2，所述散热水冷板3011内在现有技术双面安装的基础上，采用新型的三流道并联方式，在保证水冷板散热效率的基础上大幅度减少供水流量、流损；流道内采用细齿式结构，使冷却液形成波浪式流动，进一步加大散热效果，有效减小水循环系统装机容量，节约整机成本。

实施例4：参见图1，作为本发明的一种改进，所述水循环散热系4包含水-风热交换器、主循环水泵、膨胀气囊、去离子系统及监测控制系统，所述主循环水泵、离子系统、补水泵通过系统管路采用螺栓、法兰连接方式固定安装在机芯框架下部，膨胀气囊、监测控制系统采用螺栓连接方式固定安装在机芯框架上部，去水-风热交换器固定在室外进行热交换。

实施例5参见图1、图2，作为本发明的一种改进，所述励磁绕组系统柜1包含可控硅整流模组101、过压保护模组102、阻容吸收模组103、控制模组104以及风冷散热系统105；所述风冷散热系统105设置在柜体106的上方，所述控制模组104设置在柜体内部，所述可控硅整流模组101、过压保护模组102、阻容吸收模组103设置在控制模组104的上方，所述可控硅整流模组101、过压保护模组102、阻容吸收模组103、控制模组104及风冷散热系统105通过螺栓、导轨等连接方式固定安装在柜体相应位置。该方案励磁绕组系统采用三相6脉冲拓扑原理，设置快速熔断回路、过压保护模组、阻容吸收模组、控制模组、风冷散热系统增加快熔保护功能，快速吸收系统交流的尖峰电压，降低di/dt，有效抑制操作过电压的瞬间振荡和高频电流，避免过电流而损坏晶闸管，提高晶闸管使用寿命，大大提高系统可靠性。所述可控硅整流模组101采用三相6脉冲拓扑结构，所述过压保护模组102由压敏电阻、快速熔断器组成过压保护电路，模组化设计方便安装维护，连接在系统交流侧，快速吸收系统交流的尖峰电压，降低di/dt，保护可控硅；所述阻容吸收模组103由吸收电容、吸收电阻、可控硅整流模块组成rc吸收回路，模组化设计方便安装维护，可有效抑制操作过电压的瞬间振荡和高频电流，避免过电流而损坏晶闸管，提高晶闸管使用寿命。所述控制模组104由光纤控制板、继电器、开关电源、绝缘监视仪组成，所有电子元器件组装在一个安装板上，形成一个控制模组，通过光纤控制板及继电器控制、传输，通过光纤传输、接受信号到全数字调节系统柜，从而控制、触发可控硅整流模组系统组件，大大提高系统可靠性。所述的风冷散热系统105由大功率散热风机、负压检测传感器、柜体风机罩、风道组成；所述散热风机选取大散热功率的风机，安装在柜体风机罩内，提供励磁绕组系统柜完整的负压散热循环；所述负压检测传感器设计安装在风道内，检测风机是否正常运行；所述风冷散热系统105为整个系统运行提供一个更稳定的工作环境。

实施例6参见图1、图5，作为本发明的一种改进，所述可控硅整流模组101包括模组风道框架1011、六支可控硅晶闸管1012、六个可控硅散热器1013、快速熔断器1014、电流传感器1015及连接铜排1016；所述模组风道框架1011，采用绝缘材料，整体设计成三路散热风道，与柜体风道配合形成一个完整的散热循环回路；所述1支可控硅晶闸管1012和1个可控硅散热器1013组装在一起形成一个模块，六个模块沿着模组风道框架1011滑道安装；所述快速熔断器1014安装在可控硅整流模组101前侧；所述可控硅散热器1013下部模组风道框架1011风道内增加rc阻容吸收回路；所述可控硅晶闸管1012、可控硅散热器1013、快速熔断器1014、电流传感器1015通过连接铜排1016相互连接，整体与风道设计成一个可控硅整流装配模组，安装在柜体上部。

当三电平高压大功率水冷变频器系统需要扩展功率时，可采用双桥臂功率单元模组内部左右桥臂并联、双桥臂功率单元模组并联或基于双桥臂功率单元的变频器柜并联等式的一种或多种组合。

由上所述可见，三电平高压大功率水冷变频器系统采用双桥臂并联结构，整体结构方案可以更加灵活的适应多种输出功率需求的应用场合，在空间体积利用上设计更加合理、紧凑，实现快速安装维护、模块化管理，单侧桥臂布局可以有效的减少系统环流，抑制了母线过压等问题。通过双桥臂功率单元模组内部左右桥臂并联、双桥臂功率单元模组并联或基于双桥臂功率单元的变频器柜并联等不同方式、数量进行组合，灵活多样化实现变频器多种输出功率的拓展，适应不同输出功率需求的应用场合。无论在空间占有率、成本对比、性能稳定可靠、输出功率扩容等方面都占据了极大的性能优势，进一步提高了产品输出功率的应用范围，拓展产品应用领域。

本发明还可以将实施例2、3、4、5、6所述技术特征中的至少一个与实施例1组合形成新的实施方式。

需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。