一种大功率变流器柜的制作方法

本发明属于供变电领域，尤其涉及一种大功率变流器柜。

背景技术：

目前城市轨道交通普遍采用交流传动即vvvf(variablevoltageandvariablefrequency)动车组列车，其制动一般为电制动(即再生制动、电阻制动)和空气制动两级。在车辆高速运行时，使用再生制动和电阻制动，当减速到电制动不起作用时，使用空气制动。列车在运行过程中，由于站间距较短，列车启动、制动频繁，制动能量相当可观，可以达到牵引能量的40％以上，部分再生制动能量(一般为20％～80％，根据列车运行密度和区间距离的不同而异)可以被线路上同一供电区段相邻车辆和本车辅助系统吸收，剩余部分将主要被列车的吸收电阻以发热的方式消耗掉或被线路上的吸收装置吸收。

当列车发车密度较低时，再生能量被其他车辆吸收的概率将大大降低。资料表明，当列车发车间隔大于10min时，再生制动能量被吸收的概率几乎为零，此时绝大部分制动能量将被再生能量吸收装置吸收，变成热能并向四处散发，这不仅浪费能量，而且也增加了站内空调通风装置的负担，并使建设费用和运行费用增加。能量回馈变流器就是为了解决上述问题应运而生的产品。

能量回馈变流器是利用电力电子变流器，将列车制动能量逆变为交流电能回馈到交流电网，供其他设备再利用。该装置充分利用了列车再生制动能量，提高了再生能量的利用率，节能效果好，并可减少列车制动电阻的容量；其能量直接回馈到电网，既不要配置储能元件，也不要吸收电阻；对环境温度影响小，在大功率室内安装的情况下多采用此方案。

能馈变流器功率较大，在工业领域中，大功率电力电子装置存在许多热源，这些热源主要来自有源和无源发热元件。有源发热元件主要指电力电子器件，如可控硅、igbt/gto/igct；无源发热元件则主要包括电抗器、电阻器、变压器等。所有这些发热元件都会使装置的温度升高，从而导致装置内部的元器件性能变差，寿命降低。随着电力电子装置向小型化、轻量化、可靠化的方向发展，更加有效的散热技术成了研究的重点。

现有大功率电力电子装置热设计过程中，通常对功率模块和其他发热元件分别进行散热。相对于变压器、电抗器等无源元件而言，功率模块因体积较小而使热容量受限制，温度容易快速上升，使其产生热破坏。在大功率电力电子装置上，通常采取专门的散热器辅助散热，并对散热器进行强制冷却，比如采用强迫风冷、水冷、油冷、热管散热等方式。

在众多散热方式中，强制风冷的散热效果远好于自然风冷，而复杂性又大大低于水冷和油冷，价格低于热管散热方式，且可靠性也较高，因此是大功率电力电子装置的主要散热方式。

通常情况下，选用散热面积较大的型材散热器和风量较大的风机可以降低散热器到环境的热阻，提高散热效果，但散热面积的增加和风机风量的提高均受到散热器的加工工艺、体积、重量以及噪音等指标的限制。因此，在散热器和风机参数一定的条件下，合理的风道设计是改善散热效果的又一有效途径。在包含许多发热无源元件的大功率电力电子装置中，如何紧凑的设计风道，并且减少风机数量及装置体积显得尤为重要。

在公告号为cn204578343u的专利中，流经变流模块的气流随风道经过90度的拐弯后再进入风机组件易引发涡流死区和离散噪音。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的涡流死区各离散噪音的技术问题，本发明提供一种大功率变流器柜，具体方案如下：

一种大功率变流器柜，包括柜体和风机组件，所述柜体的内部空间分为底层、中层和上层，在此基础上进一步划分为五个腔体，分别为第一腔体、第二腔体、第三腔体、第四腔体和第五腔体；

所述第五腔体位于底层，所述第四腔体位于中层，所述第一腔体、第二腔体和第三腔体均位于上层，其中，第二腔体位于上层的中部，第一腔体和第三腔体位于上层的两侧，第一腔体和第三腔体内放置二次控制元件，为非散热空间，变流模块位于第四腔体；

所述风机组件位于柜体的顶部居中布置；

所述风机组件中的风机集中抽风，外界的冷风先进入底层的第五腔体，并依次经过第四腔体和第二腔体后进入风机组件，最终通过风机组件四周的出风口排出至大功率变流器柜的外部。

进一步的，所述风机组件四周的出风口为钢丝网孔结构。

进一步的，所述风机组件的四周为出风件，所述出风口设置在出风件上，所述出风件靠近顶板组件的一端与顶板组件之间留有间隙。

进一步的，所述出风件靠近顶板组件的一端与顶板组件之间的间隙为h，则5mm<h<10mm。

进一步的，所述变流模块为相模块，变流模块的波形为三电平，变流模块的数量为6个，每个变流模块连接三相电源的其中一相，以3个变流模块为一组将6个变流模块分为两组，每一组均包括了三相电源的互不相同的三个相。

进一步的，所述柜体分为三层密封结构；

第一密封层为柜体最外侧的密封层，通过第一密封层的密封形成了柜体的内部空间；

第二密封层为腔体分隔密封层，通过第二密封层将柜体内部空间划分为底层、中层和上层以及以此为基础的五个腔体；

第三密封层为第四腔体的密封加强层，通过第三密封层加强第四腔体的密封性能，从而增加通过变流模块的风量。

进一步的，所述第一密封层由两个相对布置的下门组件、两个相对布置的上门组件、两个相对布置的侧板组件、一个顶板组件、一个底板组件、柜体框架及若干密封条组成；所述底板组件位于第五腔体的底部，每个下门组件与底板组件相邻，任一下门组件包括两个进风口过滤器，在任一下门组件安装侧，该下门组件安装侧的上门组件的一端与该下门组件相邻，该下门组件安装侧的上门组件的另一端与顶板组件相邻；

任一侧板组件的一端与底板组件相邻，另一端与顶板组件相邻；上门组件和下门组件均位于两个相对布置的侧板组件之间；

密封条设置在下门组件与柜体框架之间、上门组件与柜体框架之间、顶板组件与柜体框架之间以及侧板组件与柜体框架之间。

进一步的，所述第二密封层由两个相对布置的第一密封隔板、两个相对布置的横向密封隔板、一个第二密封隔板、一个模块支撑组件及若干密封条组成；

模块支撑组件位于第四腔体与第五腔体之间，将第四腔体和第五腔体分隔开，同时也是底层和中层的分隔件；

第二密封隔板将中层与上层分隔开，第一密封隔板和横向密封隔板将上层划分为位于上层中部的第二腔，以及位于上层两侧的第一腔和第三腔；

密封条设置在第一密封隔板与横向密封隔板之间、横向密封隔板与第二密封隔板之间以及第一密封隔板与第二密封隔板之间。

进一步的，所述第三密封层由两个相对布置的主密封板组件和柜体框架组成，任一主密封板组件位于变流模块与下门组件之间，柜体框架包括与底板组件垂直的立柱，任一主密封板组件与位于该主密封板组件两侧相邻的立柱之间留有间隙。

进一步的，任一主密封板组件与位于该主密封板组件两侧相邻的立柱之间的间隙为h3，则1mm<h3<3mm。

进一步的，所述第二腔体的高度为h1，在离第二腔体最近的变流模块上距第二腔体最近的位置到二腔体底部的距离为h2，则h1>100mm，h2>300mm。

与现有技术相比，本发明提供的一种大功率变流器柜通过风道的优化设计，将变流器柜的柜体的内部空间分为三层五腔体的形式，并将变流模块置于第四腔体内，第一腔体和第三腔体作为非散热空间置于上层的两侧，第五腔体、第四腔体和第二腔体形成位于柜体内的风道，外界的冷风进入第五腔体后，流经第四腔体对变流模块进行散热，之后流经第二腔体并进入风机组件排出至大功率变流器柜的外部，如此，则冷风进入大功率变流器柜流经变流模块后的散热路径少了一个90度的拐弯，因而风机组件出风口风速较高，动压较大，显著地降低了气流在风机组件出风口处的阻力，增大了整机有效散热风量，提升了风机效率和散热效率，同时也避免了风机蜗壳内由于流向变更导致的涡流死区和离散噪音，提升了整个变流器的声品质和性能。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1为本发明实施例中的大功率变流器柜散热结构简图；

图2为本发明实施例中的大功率变流器柜整机立体图；

图3为本发明实施例中的大功率变流器柜内部结构立体图；

图4为本发明实施例中的风机组件示意图；

图5为本发明实施例中部分密封条的位置布置及均匀散热的空间尺寸示意图；

图6为本发明实施例中进风口过滤器示意图；

图7为本发明实施例中第三密封层结构示意图；

图8为本发明实施例中变流模块热仿真温度分布云图。

在附图中，相同的部件采用相同的附图标记，附图并未按实际比例绘制。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明各实施例中，顶、底、上、下等位置关系的描述是以大功率变流器柜正常工作时的摆放状态为参考。如图1、图2、图3和图5所示即为大功率变流器柜正常工作时的摆放状态。

如图1-7所示，本实施例提供一种大功率变流器柜，该大功率变流器柜包括包括柜体和位于柜体顶部的风机组件3，该柜体的内部空间分为底层、中层和上层，在此基础上进一步划分为五个腔体，分别为第一腔体8001、第二腔体8002、第三腔体8003、第四腔体8004和第五腔体8005。第五腔体8005位于底层，第四腔体8004位于中层，第一腔体8001、第二腔体8002和第三腔体8003均位于上层，其中，第二腔体8002位于上层的中部，第一腔体8001和第三腔体8003位于上层的两侧，第一腔体8001和第三腔体8003内放置二次控制元件，属低压室，为非散热空间，变流模块11位于第四腔体8004。优选的，断路器13为两个，断路器13安装在断路器支撑组件14上，断路器13和断路器支撑组件14均位于第五腔体8005，第二腔体8002为空腔。风机组件3位于柜体的顶部居中布置；风机组件3中的风机集中抽风，外界的冷风先进入底层的第五腔体8005，并依次经过第四腔体8004和第二腔体8002后进入风机组件3，最终通过风机组件3四周的出风口3011排出至大功率变流器柜的外部。各腔体在柜体内部空间的分布及风道走向如图1所示。优选的，风机组件3中的风机为后向离心风机。

与现有技术相比，本实施例提供的一种大功率变流器柜通过风道的优化设计，将变流器柜的柜体的内部空间分为三层五腔体的形式，并将变流模块11置于第四腔体8004内，第一腔体8001和第三腔体8003作为非散热空间置于上层的两侧，第五腔体8005、第四腔体8004和第二腔体8002形成位于柜体内的风道，外界的冷风进入第五腔体8005后，流经第四腔体8004对变流模块11进行散热，之后流经第二腔体8002并进入风机组件3排出至大功率变流器柜的外部，如此，则冷风进入大功率变流器柜流经变流模块11后的散热路径少了一个90度的拐弯，因而风机组件3的出风口3011风速较高，动压较大，显著地降低了气流在风机组件3的出风口3011处的阻力，增大了整机有效散热风量，提升了风机效率和散热效率，同时也避免了风机蜗壳内由于流向变更导致的涡流死区和离散噪音，提升了整个变流器的声品质和性能。

优选的，风机组件3四周的出风口3011为钢丝网孔结构，图4采用了简化的画法，出风口3011实为细钢丝分隔而成的网孔。优选的，该钢丝表面镀锌，具有较好的防锈性能。由于采用钢丝网孔结构，各出风口3011间的间隙只有一根钢丝的直径大小，通常为1mm左右，因而显著的降低了出风口压降，极大地增加了风机的工作风量。相比于现有技术中的出风口过滤器结构，本实施例中的钢丝网孔结构的出风口3011处的阻力降低了20％以上。

优选的，本实施例中，顶板组件4位于第二腔体8002与风机组件3之间，风机组件3的四周为设有钢丝网孔结构出风口3011的出风件301，出风件301靠近顶板组件4的一端与顶板组件4之间留有间隙h，而不是与顶板组件4直接贴死安装，该间隙h如图4所示。优选的，该间隙h的取值范围为5mm<h<10mm。该间隙h能够避免风机组件3中的风机导风圈进风口由于间隙过少产生涡流死区的问题，进一步降低整个风道的阻力。风机组件3还包括设置于风机顶部的顶部端板302防止气流从风机组件3的顶部逸出。在出风件301与顶板组件4之间贴有密封条8006以将出风件301与顶板组件4之间的间隙h密封，从而满足整机的防护等级达到ip31的要求，能够防止潮湿地段凝露进入柜体，提升大功率变流器柜的环境适应性，相比于现有技术中需额外加装防凝露顶板的结构，降低了大功率变流器柜的生产成本。

优选的，变流模块11为相模块，相模块即变流模块11的波形为三电平，变流模块的数量为6个，每个变流模块11连接三相电源的其中一相，以3个变流模块11为一组将6个变流模块分为两组，每一组均包括了三相电源的互不相同的三个相。优选的，每个变流模块包含了3个独立桥臂的的igbt元件。现有技术中的变流模块通常为两个大功率模块，每个变流模块包含了三相电源的互不相同的三个相。本实施例中的上述变流模块11的结构将现有技术中的两个大功率变流模块拆分成了6个功率相对较小的相模块即变流模块11，使得单个变流模块的损耗由原来的5.4kw降为1.4kw，单个igbt元件的热流密度降了74％，较低的热流密度意味着更简单、更低成本的散热设计，同时也意味着更低的模块温升，更长的器件寿命，从而全方位提升变流器的品质与性能。

风道设计的核心是密封设计，风道是引导风的流向，将外界冷风集中流向需要散热的部件，而风道的密封性能是确保风道能有效引导风的流向的核心因素，因此整机密封性能对散热结构而言至关重要。优选的，大功率变流器柜的柜体分为三层密封结构。

第一密封层为柜体最外侧的密封层，通过第一密封层的密封形成了柜体的内部空间。优选的，第一密封层由两个相对布置的下门组件1、两个相对布置的上门组件2、两个相对布置的侧板组件5、一个顶板组件4、一个底板组件15、柜体框架16及若干密封条8006组成；底板组件15位于第五腔体8005的底部，每个下门组件1与底板组件15相邻，任一下门组件1包括两个进风口过滤器6，此两个进风口过滤器6沿上下方向紧邻布置，在任一下门组件1安装侧，该下门组件1安装侧的上门组件2的一端与该下门组件1相邻，该下门组件1安装侧的上门组件2的另一端与顶板组件4相邻。任一侧板组件5的一端与底板组件15相邻，另一端与顶板组件4相邻；上门组件2和下门组件1均位于两个相对布置的侧板组件5之间。密封条8006设置在下门组件1与柜体框架16之间、上门组件2与柜体框架16之间、顶板组件4与柜体框架16之间以及侧板组件5与柜体框架16之间。上述第一密封层的具体结构如图1、图2和图3所示，部分密封条的位置如图5所示。第一密封层位于柜体的最外侧，可有效防止外界灰尘进入柜体，同时亦可防止漏风。位于下门组件1上的进风口过滤器6为整个大功率变流器柜的唯一冷风进入通道，外界冷风流经设置在下门组件1上的进风口过滤器6进入第五腔体8005。进风口过滤器6的大小对大功率变流器柜的风道阻力及散热效率有着重要影响，进风口过滤器6过大会导致大功率变流器柜的防护等级下降，进入柜体灰尘等杂质过多，影响大功率变流器柜的可靠性；进风口过滤器6过小则会导致散热风量不足，增加大功率变流器柜的风道的气动阻力，影响大功率变流器柜的散热效率。进风口过滤器6的大小可根据经验合理选择。优选的，进风口过滤器6采用挂钩挂装的形式，如图6所示，进风口过滤器6包括对称设置的挂装边601，挂钩6011设置在挂装边601上，通过挂钩6011将进风口过滤器6整体挂装在下门组件1上。如此一来，无需其它坚固件即可完成进风口过滤器6的安装，简化了进风口过滤器6的安装过程，缩短了大功率变流器柜的维护时间。

第二密封层为腔体分隔密封层，通过第二密封层将柜体内部空间划分为底层、中层和上层以及以此为基础的五个腔体。优选的，第二密封层由两个相对布置的第一密封隔板8、两个相对布置的横向密封隔板9、一个第二密封隔板10、一个模块支撑组件12及若干密封条8006组成。模块支撑组件12位于第四腔体8004与第五腔体8005之间，将第四腔体8004和第五腔体8005分隔开，同时也是底层和中层的分隔件。第二密封隔板10将中层与上层分隔开，第一密封隔板8和横向密封隔板9将上层划分为位于上层中部的第二腔8002，以及位于上层两侧的第一腔8001和第三腔8003。密封条8006设置在第一密封隔板8与横向密封隔板9之间、横向密封隔板9与第二密封隔板10之间以及第一密封隔板8与第二密封隔板10之间，在密封条8006的外围涂有硅密封胶以加强密封性能。在模块支撑组件12上留有第五腔体8005通向第四腔体8004的气流通道，在第二密封隔板10上留有第四腔体8004通向第二腔体8002的气流通道。第二密封层的结构如图3所示，部分密封条的位置如图5所示。通过第二密封层将由第一密封层所形成的柜体内部空间划分成上述三层五腔体的结构，且各密封位置良好的密封性能使得外界冷风能够按照预设的风道从进风口过滤器6进入第五腔体8005后，流经第四腔体8004，并经第二腔体8002进入风机组件3，最终排出大功率变流器柜外，从而使得变流器柜内的发热元件得到较好的散热冷却，此处的发热元件主要是指的上述位于第四腔体8004中的6个变流模块11。

第三密封层为第四腔体8004的密封加强层，通过第三密封层加强第四腔体8004的密封性能，从而增加通过变流模块11的风量。优选的，第三密封层由两个相对布置的主密封板组件7和柜体框架16组成，任一主密封板组件7位于变流模块11与下门组件1之间，柜体框架16包括与底板组件15垂直的立柱1601，任一主密封板组件7与位于该主密封板组件7两侧相邻的立柱1601之间留有间隙h3，在避免主密封板组件7与柜体框架的立柱1601干涉的同时，对第四腔体8004起到加强密封的作用。优选的间隙h3的取值范围为1mm<h3<3mm，间隙h3过大则无法对第四腔体8004起到加强密封的作用，从而减少通过变流模块11的风量，降低散热效率；间隙h3过小则使得主密封板组件7容易与立柱1601发生干涉影响主密封板的拆卸。本实施例中，主密封板组件7在安装时采用可拆卸连接件，主密封板组件7朝向顶板组件4的一端挂靠在三个焊接螺杆17上，主密封板组件7朝向底板组件15的一端通过两个活动锁扣18固定在柜体框架16上，在后续的实验调试或者维护中，只需要掰动两个活动锁扣18就可拆下并取出主密封板组件7。在主密封板组件7上设有把手19以进一步提高大功率变流器柜的可维护性。第三密封层的结构如图3、图7所示。

由于6个变流模块11体积较大，几乎占据了整个第四腔体8004，且风机组件3中的风机采用离心风机集中供风散热，因而导致无法保证每个变流模块11的进风量的一致性，进而导致每个模块11温升不一致。优选的，本实施例中，第二腔体的高度为h1，在离第二腔体最近的变流模块上距第二腔体最近的位置到二腔体底部的距离为h2，将高度h1设置为h1>100mm，将距离h2设置为h2>300mm，通过控制高度h1和距离h2的取值范围以提高各变流模块11的进风量的均匀性，从而使得各变流模块11的温升趋于一致，进而将各变流模块11的温升差异控制在可以接受的范围内。图8示出了本实施例中变流模块11热仿真温度分布云图，图8中的温度单位“c”表示摄氏度。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以对其中部分或者全部技术特征进行等同替换。尤其是，只要不存在逻辑或结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。