电机试验用变频电源系统功率模块的制作方法

本实用新型涉及一种变频电源系统功率模块，尤其涉及一种适用于电机试验用静止变频电源系统的环形热管风冷变流功率模块。

背景技术：

电机在现代社会中具有举足轻重的地位，交流电机作为电机的一个庞大的种类，随着其技术进步和生产工艺质量的提高，尤其是现代控制技术的发展，使其在拖动领域已经逐渐超过直流电机而成为主角。

电机试验通常包括电机型式试验和电机出厂例行试验，是对电机设计质量和生产质量及技术性能综合评价的重要环节，是电机制造和生产的重要工序，各种电机试验项目试验能否正常进行，取决于电机厂的供电电源配置及试验系统方案的选择。

很多电机厂由于历史的原因，供电电源容量有限，往往小于被试大电机的容量，新建电机厂考虑投资与收益的合理性，厂区供电容量也往往不是按预期生产最大电机的容量来配置，仅就负载与温升试验而言，新老电机厂家都可能面临用厂内小容量电源进行大电机负载试验与温升试验的问题。解决用小容量电源进行大容量电机试验问题的系统方案是采用“被试电机”与“陪试电机”进行“双机对拖”，此“双机对拖”试验方案不仅解决了供电容量小的问题，还避免了用大容量电源直接进行单机负载试验时产生巨大能耗的问题。

电机试验常常要求电机外加电压幅值可升降(例如0V～额定电压Ue)、外加电压频率可调节(例如0～200Hz)、两种频率叠加即叠频(例如把主频频率和副频频率的两种频率的电压叠加后向电机供电)等试验项目，使用厂内的工频电源难以胜任，标志现代电力电子技术成果之一的变频电源是电机试验电源的不二选择，变频电源的输出采用PWM逆变器，具有输出电压幅值可调、输出电压频率可调及两种频率叠加输出的特性。

电机试验变频电源在“双机对拖”的试验系统方案下，变频电源的输入整流侧容量可以远远小于逆变输出侧的容量，“双机对拖”试验时，一台变频电源驱动“被试电机”，另一台变频电源连接“陪试电机”，两台变频电源通过公共直流母线连接，“被试电机”与“陪试电机”机械轴连接，“被试电机”工作在电动运行状态，“陪试电机”工作在发电运行状态，“被试电机”的驱动电能来自于“陪试电机”发电电能，“陪试电机”的旋转机械能来自于“被试电机”轴输出机械能，电能通过两台变频电源公共的直流母线，从“陪试电机”连接的变频电源输入，从“被试电机”连接的变频电源输出，两台变频电源的整流输入侧仅仅输入很小的功率，用以补偿“被试电机”与“陪试电机”能量环流过程中的损耗。

电机试验用变频电源的输入侧连接供电电网，通常供电部门对输入侧谐波和功率因数有一定的指标要求，从适应电网电能质量要求考虑，变频电源输入侧应根据具体情况，选择二极管整流、二极管多脉波整流或AFE四象限整流，以降低整流部分的电流谐波对电网的影响、提高电网侧的功率因数。

电机试验常常包括电机的动态性能测试，例如快速的起动和制动、突然加载和减载等，满足这些要求的变频电源必须能提供能量快速释放或回馈的通道，电机试验变频电源输入侧采用AFE四象限整流方式，可以进行变频电源与电网间能量的快速双向传递。

总之，电机试验用变频电源其逆变输出侧容量可按试验电机的容量来考虑，整流输入侧容量可按试验系统的损耗考虑，输出采用PWM逆变，满足电压可调、频率可调及两种频率叠加输出的要求，输入侧根据用户需求，采用二极管多脉波整流或AFE整流，满足低电流谐波高功率因数或单位功率因数双向功率传输的需求。

由于各个电机生产厂家对试验电源的要求多种多样，为减少重复设计，变频电源内部应该采用模块化设计才能适应多变的应用需求。变频电源内部功率部分按相同“功率模块”进行组合和扩展，“功率模块”在电气性能上满足上述变频电源的要求，在安装结构特征方面，“功率模块”之间通过直流母线扩展连接，既能用一个功率模块构成较小容量试验电源系统，又能通过“功率模块”的组合实现试验电源系统的扩容，以“公共直流母线”为纽带，不仅可以进行单个试验变频电源的扩容，也可以进行两台或多台变频电源的扩容组合。本实用新型“电机试验用变频电源系统功率模块”正是基于上述思想而产生的。

技术实现要素：

本实用新型公开了一种电机试验用变频电源系统功率模块，9只小容量的二极管半桥元件Vd11～Vd19装设在环形热管风冷散热器板R上部(散热器板R平面垂直地面安装)，6只大容量的IGBT半桥元件Vt21～Vt26装设在环形热管风冷散热器板R下部，环形热管风冷散热器采用从下部压风方式送风，先冷却大容量的IGBT半桥元件，后冷却小容量的二极管半桥或IGBT半桥元件。

9只小容量的二极管半桥元件Vd11～Vd19的‘+’端通过复合极板或铜排端连通并连接到公共直流母线的DC+，9只小容量二极管半桥元件Vd11～Vd19的‘-’端通过复合极板或铜排端连通并连接到公共直流母线的DC-，9只小容量半桥元件Vd11～Vd19的‘～’端引出，作为功率模块整流器的输入端，依次命名为A1、B1、C1、A2、B2、C2、A3、B3、C3，6只大容量的IGBT半桥元件Vt21～Vt26的‘+’端通过复合极板或铜排连接到公共直流母线的DC+，6只大容量IGBT半桥模块Vt21～Vt26的‘-’端通过复合极板或铜排连接到公共直流母线的DC-，6只大容量IGBT半桥元件Vt21～Vt26的‘～’端引出，作为功率模块逆变器的输出端，依次命名为U1、V1、W1、U2、V2、W2。

9只小容量的二极管半桥元件Vd11～Vd19可由9只小容量的IGBT半桥元件Vi11～Vi19替代并安装在同一位置上，形成AFE四象限整流器。

由于采用了上述技术方案，本实用新型提供的电机试验用变频电源系统的功率模块，其输入侧用二极管半桥作整流时，在输入端A1、B1、C1、A2、B2、C2、A3、B3、C3可呈现多脉波整流特性，二极管半桥元件换成IGBT半桥元件时，在输入端A1、B1、C1、A2、B2、C2、A3、B3、C3可实现AFE四象限整流，在功率模块输入侧能满足电网电能质量的要求，能实现功率双向传递。功率模块的输出侧U1、V1、W1、U2、V2、W2输出端可实现双三相PWM逆变。功率模块输入侧可以连接成三相桥式整流，输出侧也可以连接成双三相逆变，此时的功率模块呈现为双变频电源，可以实现较小容量交流电机的“双机对拖”试验。如果使用3个相同的功率模块，将每个功率模块的输入侧A1、B1、C1、A2、B2、C2、A3、B3、C3端子短接作为一相，将每个功率模块的输出侧U1、V1、W1、U2、V2、W2端子短接作为一相，3个功率模块可以组成较大容量的电机试验变频电源，可见此功率模块可实现“积木式”的容量扩展。

此外，本实用新型的功率模块1整流侧的9只小容量的二极管半桥元件、逆变侧的6只大容量的IGBT半桥元件和功率模块2整流侧的9只小容量的IGBT半桥元件、逆变侧的6只大容量的IGBT半桥元件，可以根据要组成的变频电源的容量要求，适当的减少半桥元件的安装数量以节约设备成本。例如功率模块1整流侧仅安装3只小容量的二极管半桥元件，构成小容量的整流器，见图11。功率模块1整流侧仅安装6只小容量的二极管半桥元件，构成中等容量的整流器见图12。又例如功率模块2整流侧安装3只小容量的IGBT半桥元件，构成小容量的AFE四象限整流器，见图13。功率模块2整流侧安装6只小容量的IGBT半桥元件，构成中等容量的AFE四象限整流器见图14。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型功率模块1(整流侧9只小容量二极管半桥元件、逆变侧6只大容量IGBT半桥元件)；

图2是本实用新型功率模块2(整流侧9只小容量IGBT半桥元件、逆变侧6只大容量IGBT半桥元件)；

图3是本实用新型功率模块1连接成输入A相、输出U相；

图4是本实用新型功率模块1连接成输入B相、输出V相；

图5是本实用新型功率模块1连接成输入C相、输出W相；

图6是本实用新型3个功率模块1组合成一套大容量电机试验变频电源；

图7是本实用新型功率模块2连接成输入A相、输出U相；

图8是本实用新型模块2连接成输入B相、输出V相；；

图9是本实用新型功率模块2连接成输入C相、输出W相；

图10是本实用新型3个功率模块2组合成一套大容量电机试验变频电源；

图11是本实用新型功率模块1实现小容量整流器的连接图；

图12是本实用新型功率模块1实现中等容量整流器的连接图；

图13是本实用新型功率模块2实现小容量AFE四象限整流器的连接图；

图14是本实用新型功率模块2实现中等容量AFE四象限整流器的连接图；

具体实施方式

为使本实用新型的技术方案和优点更加清楚，下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1～图2所示的电机试验用变频电源系统的功率模块，包括9只小容量的二极管半桥元件Vd11～Vd19均匀装设在环形热管风冷散热器板R上部(散热器板R平面垂直地面安装)，6只大容量的IGBT半桥元件Vt21～Vt26均匀装设在环形热管风冷散热器板R下部，环形热管风冷散热器采用从下部压风方式送风，先冷却大容量的IGBT半桥元件，后冷却小容量的二极管半桥或IGBT半桥元件。

9只小容量的二极管半桥元件Vd11～Vd19的‘+’端通过复合极板或铜排端连通并连接到公共直流母线的DC+，9只小容量二极管半桥元件Vd11～Vd19的‘-’端通过复合极板或铜排端连通并连接到公共直流母线的DC-，9只小容量二极管半桥元件Vd11～Vd19的‘～’端引出，作为功率模块整流器的输入端，依次命名为A1、B1、C1、A2、B2、C2、A3、B3、C3，6只大容量的IGBT半桥元件Vt21～Vt26的‘+’端通过复合极板或铜排连接到公共直流母线的DC+，6只大容量IGBT半桥模块Vt21～Vt26的‘-’端通过复合极板或铜排连接到公共直流母线的DC-，6只大容量IGBT半桥元件Vt21～Vt26的‘～’端引出，作为功率模块逆变器的输出端，依次命名为U1、V1、W1、U2、V2、W2。

9只小容量的二极管半桥元件Vd11～Vd19可由9只小容量的IGBT半桥元件Vi11～Vi19替代并安装在同一位置上，形成AFE四象限整流器。

本实用新型的几种应用方式如下：

1.单个功率模块1输入侧多脉波整流，输出双PWM逆变

图1所示的功率模块1，输入侧A1、B1、C1接入第一组三相工频电源，输入侧A2、B2、C2接入第二组三相工频电源，输入侧A3、B3、C3接入第三组三相工频电源，三组三相工频电源相位相差20°，功率模块1输入侧为18脉波整流。功率模块1输出侧U1、V1、W1作为一组三相逆变输出，功率模块1输出侧U2、V2、W2作为另一组三相逆变输出，若两组PWM逆变输出分别接容量相当的“被试电机”和“陪试电机”，则可实现“双机对拖”方式的电机试验，而功率模块1的输入侧仅需要输入很小的功率用于补偿损耗。

2.单个功率模块2输入侧AFE四象限整流，输出侧双PWM逆变

图2所示的功率模块2，是将功率模块1的9只小容量的二极管半桥元件Vd11～Vd19换成了9只小容量的IGBT半桥元件Vi11～Vi19，输入侧A1、B1、C1、A2、B2、C2和A3、B3、C3可分别接三组三相工频电源，也可接入同一组三相工频电源，功率模块2输入侧为AFE四象限整流。功率模块2输出侧U1、V1、W1作为一组三相逆变输出，功率模块2输出侧U2、V2、W2作为另一组三相逆变输出，若两组PWM逆变输出分别接容量相当的“被试电机”和“陪试电机”，则可实现“双机对拖”方式的电机试验，而功率模块2的输入侧仅需要输入很小的功率用于补偿损耗,当电机快速制动时，功率模块2输入侧的AFE四象限整流为其提供能量回馈的通道。

3.功率模块1作为变频电源一个相模块使用

当单个功率模块1的容量不足以作为独立变频电源使用时，可以将其连接成图3、图4及图5的相模块方式，以便组成容量更大的电机试验变频电源。

4.功率模块2作为变频电源一个相模块使用

当单个功率模块2的容量不足以作为独立变频电源使用时，可以将其连接成图7、图8及图9的相模块方式，以便组成容量更大的电机试验变频电源。

5.3个功率模块1组合成较大容量的电机试验变频电源

图6为3个功率模块1作为3个相模块，构成一台较大容量的输入侧多脉波整流的电机试验变频电源。

6.3个功率模块2组合成较大容量的电机试验变频电源

图10为3个功率模块2作为3个相模块，构成一台较大容量的输入侧为AFE四象限整流的电机试验变频电源,此电机试验变频电源可满足电机试验的快速制动能量回馈。

7.功率模块1整流侧仅安装3只二极管半桥模块构成小容量整流器

图11为功率模块1整流侧均匀安装3只二极管半桥模块，空出6只二极管半桥模块的位置不安装，整流侧为小容量整流器。

8.功率模块1整流侧仅安装6只二极管半桥模块构成中等容量整流器

图12为功率模块1整流侧安装6只二极管半桥模块两两并联，空出3只二极管半桥模块的位置不安装，整流侧为中等容量整流器。

9.功率模块2整流侧仅安装3只IGBT半桥模块构成小容量AFE四象限整流器

图13为功率模块2整流侧均匀安装3只IGBT半桥模块，空出6只IGBT半桥模块的位置不安装，整流侧为小容量AFE四象限整流器。

10.功率模块2整流侧仅安装6只IGBT半桥模块构成中等容量AFE四象限整流器

图14为功率模块2整流侧安装6只IGBT半桥模块两两并联，空出3只IGBT半桥模块的位置不安装，整流侧为中等容量AFE整流器。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。