一种模块化水冷功率单元及信号采集方法与流程

本发明涉及高压变频器技术领域，特别涉及一种模块化水冷功率单元及信号采集方法。

背景技术：

高压变频器被广泛的应用于电力、冶金、市政、石化等行业。随着大功率电力电子器件和电气传动技术的进步，高压变频器产业正在进入一个高速发展期。功率单元作为高压变频器的核心部件，对高压变频器的结构形式、尺寸大小和稳定运行起着决定性作用。

目前大功率高压变频器功率单元的散热主要采用水冷冷却的方式，现有的高压变频器的功率单元都是整体结构，所有元器件及水冷散热器均安装于一个箱体中，模块化程度不高，从而导致变频器扩展性不高、运输装配不便。当功率单元内某个器件发生故障时，需将整个功率单元从变频器中拆出，造成维护困难。

现有技术中的高压变频器功率单元迫于结构布局，一般检测系统功能简单，大部分器件的状态无法知晓，在发生故障后，不能准确知道故障信息，通常系统只能粗略的给出一些近似的故障代码，给设备的维修工作带来诸多不便。另外无法完成设备在运行之前的自身检查，往往需要在上高压运行中才能报出故障，带来一定的经济损失。已经不适用当前技术发展的趋势，以及市场的要求。另外大功率设备往往质量大体积大，不适合运输，因此模块化水冷功率单元及其信号采集尤为重要。

技术实现要素：

为了解决背景技术中所述问题，本发明提供一种模块化水冷功率单元及信号采集方法，将高压变频器的功率单元拆分成多个独立功能的箱体，这种分体式的模块化的功率单元结构具有扩展性强、维护方便、散热性能好等优点。模块化水冷功率单元信号采集技术以主控制板、驱动信号检测系统、整流信号检测系统为核心，达到模块化信号采集的应用目的。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种模块化水冷功率单元，包括整流模块、电容模块和逆变模块；所述的整流模块、电容模块和逆变模块均为箱体式结构，其内部的元器件均安装于各自的箱体内，所述的整流模块、电容模块和逆变模块从左至右依次布置，并通过电容叠层母排相互电气连接；所述的整流模块上部设有整流模块进水口、下部设有整流模块出水口；所述的逆变模块上部设有逆变模块进水口、下部设有逆变模块出水口。

所述的整流模块包括整流箱体和箱体内部的元器件，所述的整流箱体包括框架、整流前挡板、整流后挡板和侧封板，箱体前端设有拉手，箱体内的元器件包括整流桥、熔断器、温度开关、放电电阻、电源模块、整流模块电路板、整流叠层母排、输入铜排，整流桥和熔断器通过整流叠层母排、输入铜排进行电气连接。

所述的整流箱体内设有整流水冷板，固定于整流箱体框架的前部，其进水口和出水口分别露出整流箱体前面板的上部和下部，所述的整流桥、温度开关、放电电阻通过螺栓固定于整流水冷板上。

所述逆变模块包括逆变箱体和箱体内部的元器件，所述的逆变箱体包括框架、逆变前挡板、逆变后挡板和侧封板，箱体前端设有拉手，箱体内的元器件包括igbt、突波电容、温度开关、主控制板、驱动板、逆变叠层母排、输出铜排，逆变叠层母排通过螺栓与igbt铜排连接端面紧固，输出铜排分别固定于逆变箱体的上下两端并由逆变箱体的后部引出。

所述的逆变箱体内设有逆变水冷板，固定于逆变箱体框架的前部，其进水口和出水口分别露出逆变箱体前面板的上部和下部，igbt、温度开关通过螺栓固定于逆变水冷板上，驱动板固定在位于逆变模块的igbt上。

用于所述的一种模块化水冷功率单元的信号采集方法，用于信号采集的装置包括：主控制板、多个驱动板、整流模块电路板；

1)在所述的逆变模块中，设置一块主控制板，主控制板上设置有微控制器芯片和光纤接收器，在每个igbt上均设置一块驱动板，每组桥臂的igbt上的驱动板均分为主驱动板和从驱动板，每组桥臂上的每个从驱动板均通过硬线连接的方式与主驱动板连接，主驱动板通过光纤通讯的方式与主控制板相连；所述的主驱动板上为主驱动器，所述的从驱动板上为从驱动器；

2)在所述的整流模块中，设置一块整流模块电路板，整流模块电路板中设置有多个光耦隔离检测电路，分别检测整流模块中的3相电源熔断器的开断和整流模块水冷板的温度；

3)所述的逆变模块的主控制板通过端口直接检测逆变模块水冷板的温度信号、直流母线电压信号、高压电源信号，另外，主控制板还通过航空插头与整流模块的电路板相连，检测整流模块的熔断器开断信号和整流模块的水冷散热片温度信号；

4)在所述的逆变模块中，从驱动器的故障信号通过通讯电缆传递到主驱动器，再由主驱动器通过光纤接收器传递到主控制板上的微控制器芯片，完成信号的最终传递；微控制器芯片通过主控制板上的光纤接收器接收驱动信号检测系统发来的故障信息，故障信号为脉冲信号或者是高低电平信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)扩展性强，本发明采用分体式、模块化设计，从左至右依次为整流模块、电容模块、逆变模块。此种设计形式，通过增减、替换或改变其中任一模块，就可以实现功率单元很强的扩展性。

2)维护方便，本发明各模块通过电容叠层母排进行电气连接。当功率单元中任一模块发生故障时，在拆卸电容叠层母排后，就可以将故障模块单独抽出维护。

3)散热性能好，本发明整流模块和逆变模块分别设有各自的进水口和出水口，当本发明安装于功率柜体上时，进水口通过进水管并联，出水口通过回水管并联。此种管道并联的设计形式，冷却水分别给整流模块和逆变模块单独散热，拥有更好的散热性能。

4)信号采集方法中，主控制板包括电压信号检测系统、温度信号检测系统、电源信号检测系统、通讯信号检测系统、驱动信号检测系统、整流信号检测系统。分离的各模块通过整个检测系统相连，实时监测整个水冷功率单元各个部分的器件工作状态，准确的信号采集使功率单元高效稳定的工作。

5)信号采集方法中，微控制器为核心，与主控cpu通过光纤通讯，接收工作指令，控制驱动系统，同时微控制器进行电压信号检测、温度信号检测、通讯信号检测、电源信号检测，并与驱动信号检测系统和整流信号检测系统协同工作，实时监控单元各模块的工作状态，一旦发现故障信息，及时停止工作保护功率单元并且上报准确的故障信息；

6)信号采集方法中，整流信号检测系统可以检测熔断器的状态，通过数字开关对熔断器状态进行信号采集，该可以通过运算放大器和比较器检测三相输入电源的状态，检测相位信号，计算是否缺相的故障信息。

附图说明

图1是本发明整体等轴侧结构示意图；

图2是本发明的整流模块等轴侧结构示意图；

图3是本发明的整流散热器器件摆布示意图；

图4是本发明的逆变模块等轴侧结构示意图；

图5是本发明的逆变散热器器件摆布示意图；

图6是本发明的电容模块等轴示意图；

图7是本发明的一种模块化水冷功率单元信号采集方法系统示意图；

图8是本发明的功率单元主控板中的信号检测系统电路结构示意图；

图9是本发明的功率单元整流板的信号检测系统电路结构示意图；

图10是本发明的分体式驱动板结构拓扑图。

图中：1-整流模块2-电容模块3-逆变模块4-电容叠层母排5-整流模块进水口6-整流模块出水口7-逆变模块进水口8-逆变模块出水口9-整流模块框架10-整流后挡板11-输入铜排12-熔断器13-固线弯角14-检测电路板15-电源模块16-整流桥17-整流水冷板18-整流叠层母排19-整流前挡板20-航空插座21-拉手22-温度开关23-放电电阻24-逆变模块框架25-逆变叠层母排26-主控制板27-逆变前挡板28-逆变水冷板29-绝缘垫块30-逆变后挡板31-输出铜排32-突波吸收电容33-驱动从板34-驱动主板35-igbt36-温度开关37-连接柱38-侧封板。

具体实施方式

以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示，一种模块化水冷功率单元，包括整流模块1、电容模块2和逆变模块3；所述的整流模块1、电容模块2和逆变模块3均为箱体式结构，其内部的元器件均安装于各自的箱体内，所述的整流模块1、电容模块2和逆变模块3从左至右依次布置，并通过电容叠层母排4相互电气连接。

所述的流模块1上部设有整流模块进水口5、下部设有整流模块出水口6。逆变模块3上部设有逆变模块进水口7、下部设有逆变模块出水口8。当本发明安装于功率柜体上时，整流模块1和逆变模块3的进水口通过进水管并联，出水口通过出水管并联。

如图2所示，所述的整流模块1包括整流箱体和箱体内部的元器件，所述的整流箱体包括框架9、整流前挡板19、整流后挡板10和侧封板38，箱体前端设有拉手21，箱体内的元器件包括整流桥16、熔断器12、温度开关22、放电电阻23、电源模块15、整流模块电路板14、整流叠层母排18、输入铜排11，整流桥16和熔断器12通过整流叠层母排18、输入铜排11进行电气连接。

整流前挡板19和整流后挡板10分别固定于整流模块1框架9的前后两端，整流前挡板19上安装有2个拉手21便于整流模块1的整体拆装，整流前挡板19上同时安装有航空插座20用于和逆变模块3的电气连接。电源模块15安装于整流模块1的中间部位，检测电路板14位于电源模块15的上部，熔断器12安装于整流模块1的后部。固线弯角13固定于整流模块1框架9内的上下两端用于线缆的固定。

所述的整流箱体内设有整流水冷板17，其固定于整流箱体框架9的前部。如图3所示，所述的整流桥16、温度开关22、放电电阻23通过螺栓固定于整流水冷板17上，整流水冷板17的进水口和出水口分别露出整流箱体前面板的上部和下部。

如图4所示，所述逆变模块2包括逆变箱体和箱体内部的元器件，所述的逆变箱体包括框架24、逆变前挡板27、逆变后挡板30和侧封板38，箱体前端设有拉手21，箱体内的元器件包括igbt35、突波电容32、温度开关36、主控制板26、驱动板33和34、逆变叠层母排25、输出铜排31，igbt35与逆变叠层母排25和输出铜排31进行电气连接。

逆变前挡板27和整流后挡板30分别固定于逆变模块3框架24的前后两端，逆变前挡板27上安装有2个拉手21便于逆变模块3的整体拆装，逆变前挡板27上同时安装有航空插座20用于和整流模块1的电气连接。逆变叠层母排25通过螺栓与igbt35铜排连接端面紧固。主控制板26和突波吸收电容32固定在逆变叠层母排25上。输出铜排31通过绝缘垫块29分别固定于逆变模块3的上下两端并引出到逆变模块3的后部。

所述的逆变箱体内设有逆变水冷板28，其固定于逆变箱体框架24的前部。如图5示，igbt35、温度开关36通过螺栓固定于逆变水冷板28上，驱动板33和34固定在位于逆变模块的igbt35上，逆变水冷板28的进水口和出水口分别露出逆变箱体前面板的上部和下部。

如图6示，所述的电容模块2为箱体式结构，箱体前端两侧设有拉手21，箱体前端中部设有电容叠层母排的连接柱37，用于连接电容叠层母排4。所述的电容模块2的箱体内部封装电容，封装电容与电容叠层母排4的连接柱37电气连接。现有的市场上购买的用于功率单元上使用的电容器即为整体的封装结构，封装时，箱体外形按图5提供的外形进行封装。

用于所述的一种模块化水冷功率单元的信号采集方法，如图2、4、7所示，用于信号采集的装置包括：主控制板26、多个驱动板33和34、整流模块电路板14；

1)如图4、7所示，在所述的逆变模块3中，设置一块主控制板26，主控制板26上设置有微控制器芯片和光纤接收器，如图5、10所示，在每个igbt35上均设置一块驱动板33或34，每组桥臂的igbt35上的驱动板均分为主驱动板34和从驱动板33，每组桥臂上的每个从驱动板33均通过硬线连接的方式与主驱动板34连接，主驱动板34通过光纤通讯的方式与主控制板26相连；所述的主驱动板34上为主驱动器，所述的从驱动板33上为从驱动器；

2)如图2、7、8所示，在所述的整流模块1中，设置一块整流模块电路板14，整流模块电路板14中设置有多个光耦隔离检测电路，分别检测整流模块1中的3相电源熔断器12的开断和整流模块水冷板17的温度；

3)如图7、9所示，所述的逆变模块3的主控制板26通过端口直接检测逆变模块水冷板28的温度信号、直流母线电压信号、高压电源信号，另外，主控制板26还通过航空插头20与整流模块1的电路板14相连，检测整流模块的熔断器12开断信号和整流模块的水冷散热片17温度信号；

4)如图7、9、10所示，在所述的逆变模块3中，从驱动器33的故障信号通过通讯电缆传递到主驱动器34，再由主驱动器34通过光纤接收器传递到主控制板26上的微控制器芯片，完成信号的最终传递；微控制器芯片通过主控制板26上的光纤接收器接收驱动信号检测系统发来的故障信息，故障信号为脉冲信号或者是高低电平信号。

所述的主控制板26包括微控制器、电压信号检测系统、温度信号检测系统、电源信号检测系统、通讯信号检测系统；所述的微控制器连接电压信号检测系统、温度信号检测系统、电源信号检测系统、通讯信号检测系统。

所述的微控制器为cpld、fpga或者pic型芯片，但不限于型号，与主控cpu通过光纤通讯，接收工作指令，控制驱动系统，同时微控制器进行电压信号检测、温度信号检测、通讯信号检测、电源信号检测，并与驱动信号检测系统和整流信号检测系统协同工作，实时监控单元各模块的工作状态，一旦发现故障信息，及时停止工作保护功率单元并且上报准确的故障信息；

所述的微控制器通过电压信号检测系统采集直流母线上的电压信号，再由电压信号检测系统进行处理，一方面进行逻辑比较后给出故障信息，另一方面进行模拟量数字量转换，给出测量结果；所述的微控制器通过温度信号检测器检测功率单元水冷散热板的温度。

所述的电源信号检测系统可以检测高压电源的故障，通过隔离的线性光耦，最高可以采集2块高压电源4路故障信号；

所述的整流信号检测系统可以检测熔断器的状态，通过数字开关对熔断器状态进行信号采集，该可以通过运算放大器和比较器检测三相输入电源的状态，检测相位信号，计算是否缺相的故障信息。

本发明采用了分体式、模块化设计。此种设计形式，通过修改整流模块1或逆变模块3的内部配置以及增减电容模块2内的电容数量，来提高或降低功率单元的设计功率，使功率单元具有了较强的扩展性和一致性。

本发明当功率单元中的任一模块发生故障时，在拆卸电容叠层母排4后就可以将故障模块单独抽出进行维护。因单个模块的重量要远轻于整个功率单元的重量，方便了功率单元的拆装和维护。

当本发明安装于功率柜体上时，整流模块1和逆变模块3的进水口通过进水管并联，出水口通过出水管并联。此种设计形式，冷却水分别给整流模块1和逆变模块3进行冷却散热，使本发明拥有更好的散热性能。

以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。