一种高压大容量电力电子型切换开关站装置

1.本发明属于大功率电力电子技术领域，具体涉及一种高压大容量电力电子型切换开关站装置。


背景技术：

2.开绕组电机是将传统电机绕组的中性点打开，两套变频器分别接于定子绕组两端，实现变频器串接，能够获得更大的系统输出功率和更多电平的供电效果，以满足大功率应用场合的需求。随着开绕组电机系统技术发展的逐步成熟，其拓扑结构的高冗余性和容错性优势特征和潜力被不断挖掘，在不同领域的应用研究正在受到国内外学术界和工业界越来越多的关注。针对两独立电源供电的开绕组电机系统，当其中一台变频器的开关器件出现故障时，利用切换开关，将故障后系统的拓扑结构进行重构实现驱动系统的不间断运行，以进一步提高系统的容错控制性能。
3.现有的切换开关依据工作原理可分为两种：机械式切换开关和电子式切换开关。机械式切换开关工作电压高、电流大，但存在切换过程响应慢、电流断续且波动大、使用寿命短、体积大等缺点，不适用于高压大容量下高动态响应的开绕组电机驱动系统应用场合。电子式切换开关工作过程中切换响应快、电流连续，且无机械部件，使用寿命长，但受限于电力电子器件的电压电流水平，现有的电子式切换开关工作电压低、容量小、体积大，无法满足高压大容量开绕组电机驱动系统的应用需求。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对上述技术的不足，提供一种高压大容量电力电子型切换开关站装置，具有工作电压高、输出容量大、动态响应快、电流连续、结构小巧、成本低的优点。
5.为实现上述目的，本发明所设计的一种高压大容量电力电子型切换开关站装置，包括金属外壳，及内置在金属外壳中的功率器件压装模块单元；所述功率器件压装模块单元包括串联的上部双向开关阀串和下部双向开关阀串；
6.上部双向开关阀串包括a相上部双向开关、b相上部双向开关和c相上部双向开关，下部双向开关阀串包括a相下部双向开关、b相下部双向开关和c相下部双向开关；a相上部双向开关由晶闸管s
a1
和晶闸管s
a3
反并联构成，b相上部双向开关由晶闸管s
b1
和晶闸管s
b3
反并联构成，c相上部双向开关由晶闸管s
c1
和晶闸管s
c3
反并联构成；a相下部双向开关由晶闸管s
a2
和晶闸管s
a4
反并联构成，b相下部双向开关由晶闸管s
b2
和晶闸管s
b4
反并联构成，c相下部双向开关由晶闸管s
c2
和晶闸管s
c4
反并联构成；
7.a相上部双向开关中，吸收电容c
a1
和吸收电阻r
a1
串联后与晶闸管s
a1
并联，均压电阻r
a3
与晶闸管s
a3
并联；同理，b相上部双向开关中，吸收电容c
b1
和吸收电阻r
b1
串联后与晶闸管s
b1
并联，均压电阻r
b3
与晶闸管s
b3
并联；c相上部双向开关中，吸收电容c
c1
和吸收电阻r
c1
串联后与晶闸管s
c1
并联，均压电阻r
c3
与晶闸管s
c3
并联；a相下部双向开关中，吸收电容c
a2
和吸收电阻r
a2
串联后与晶闸管s
a2
并联，均压电阻r
a4
与晶闸管s
a4
并联；b相下部双向开关中，吸
收电容c
b2
和吸收电阻r
b2
串联后与晶闸管s
b2
并联，均压电阻r
b4
与晶闸管s
b4
并联；c相下部双向开关中，吸收电容c
c2
和吸收电阻r
c2
串联后与晶闸管s
c2
并联，均压电阻r
c4
与晶闸管s
c4
并联；
8.a相上部双向开关中的均压电阻r
a3
和a相下部双向开关中的均压电阻r
a4
布置在a相上部双向开关和a相下部双向开关之间，b相上部双向开关中的均压电阻r
b3
和b相下部双向开关中的均压电阻r
b4
布置在b相上部双向开关和b相下部双向开关之间，c相上部双向开关中的均压电阻r
c3
和c相下部双向开关中的均压电阻r
c4
布置在c相上部双向开关和c相下部双向开关之间，上部双向开关阀串和下部双向开关阀串之间布置有均压电阻绝缘板。
9.进一步地，所述上部双向开关阀串的a、b、c三相一端和下部双向开关阀串串联的a、b、c三相一端分别通过串接铜排形成串联结构，串接铜排固定在中间连接铜板上。
10.进一步地，所述a相上部双向开关的另一端、b相上部双向开关的另一端和c相上部双向开关的的另一端通过短接铜排构成星型，短接铜排固定在短接铜排绝缘板上；a相下部双向开关的另一端、b相下部双向开关的另一端和c相下部双向开关的另一端分别连接到对应的输出电极铜柱上作为主电路对外接口，三个输出电极铜柱固定在输出电极绝缘板上。
11.进一步地，所述上部双向开关阀串由上压接组件固定，上压接组件包括两组上端部导热板组件、两组上中间导热板组件及连接每相上部双向开关的两个晶闸管的u形铜排；每组上端部导热板组件包括端部导热板，每组上中间导热板组件包括中间导热板；压力螺杆的一端依次穿过一组上端部导热板组件、两组上中间导热板组件后与金属固定压板上部连接固定，且金属固定压板与上端部导热板组件之间衬有上均匀压块；压力螺杆的另一端与上弹簧钢板连接固定，且上弹簧钢板与上端部导热板组件之间衬有上锥形压块，上锥形压块顶尖抵在上弹簧钢板上。
12.进一步地，所述每组上端部导热板组件还包括布置在端部导热板内表面的导热隔离板，每组上中间导热板组件还包括布置在中间导热板内外表面的导热隔离板，且导热隔离板与u形铜排之间均布置有陶瓷绝缘板。
13.进一步地，所述端部导热板的前侧和中间导热板的前侧均布置有温度传感器温。
14.进一步地，所述金属外壳由底板、顶板、后盖板、前面板、左侧板和右侧板围合而成；所述端部导热板和中间导热板的底部与底板之间、后端面与后盖板之间、前端面与前面板之间分别先涂上导热硅脂，再采用螺栓固定。
15.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
16.1)采用功率器件作为开关，工作过程中切换响应快、电流连续，且无机械部件，使用寿命长；
17.2)功率器件压装模块单元由上部双向开关阀串和下部双向开关阀串组成，二者通过短接铜排串联连接，满足高电压、大容量输出需求。
18.3)该装置结构紧凑、功率密度高。将所有导热板均与金属外壳相连，不仅能够起到固定支撑作用，还具备热传导功能，实现依靠自然冷却方式将功率器件运行中产生的热损耗及时散到空气中，降低了装置整体尺寸，大大提高了整个装置的适装性。
19.4)该装置电磁兼容性好。控制单元与功率器件压装模块单元相互隔开，实现电磁与空间上双重隔离。
20.5)控制单元对外采用航插接口，不仅连接可靠，而且维护方便。
附图说明
21.图1为本发明高压大容量电力电子型切换开关站装置的电气拓扑图；
22.图2为本发明实施例的一种高压大容量电力电子型切换开关站装置的立体结构示意图；
23.图3为本发明实施例的功率器件压装模块单元结构示意图；
24.图4为本发明实施例的晶闸管阀串结构示意图。
25.其中：001-功率器件压装模块单元，002-控制单元，003-脉冲变压器模块，004-吸收电容，005-吸收电阻，006-底板，007-顶板，008-后盖板，009-前面板，010-左侧板，011-右侧板，012-控制电路固定板，013-均压电阻，101-金属固定压板，102-上均压压块，103-压力螺杆，104-短接铜排，105-短接铜排绝缘板，106-上弹簧钢板，107-上锥形压块，108-均压电阻绝缘板，109-输出电极绝缘板，110-输出电极铜柱，111-晶闸管，112-端部导热板，113-导热隔离板，114-串接铜排，115-u形铜排，116-陶瓷绝缘板，117-中间连接铜板，118-温度传感器，中间导热板119。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
27.如图2～3所示高压大容量电力电子型切换开关站装置，包括由底板006、顶板007、后盖板008、前面板009、左侧板010和右侧板011围合成的金属外壳，及内置在金属外壳中的功率器件压装模块单元001和控制单元002。
28.控制单元002包括电源模块和控制信号处理板卡，均安装于控制电路固定板012上，控制电路固定板012分别与底板006、后盖板008、前面板009通过螺栓固定；外部输入电源通过前面板009上的电航插接入电源模块，外部输入命令信号以及反馈状态信号通过前面板009上的光航插接入控制信号处理板卡，控制信号处理板卡将脉冲控制信号通过电缆接入到脉冲变压器模块003，脉冲变压器模块003驱动功率器件压装模块单元001中的功率器件开关动作。
29.结合图1所示，功率器件压装模块单元001包括上部双向开关阀串和下部双向开关阀串，上部双向开关阀串包括a相上部双向开关、b相上部双向开关和c相上部双向开关，下部双向开关阀串包括a相下部双向开关、b相下部双向开关和c相下部双向开关；a相上部双向开关由晶闸管s
a1
和晶闸管s
a3
反并联构成，b相上部双向开关由晶闸管s
b1
和晶闸管s
b3
反并联构成，c相上部双向开关由晶闸管s
c1
和晶闸管s
c3
反并联构成；同理，a相下部双向开关由晶闸管s
a2
和晶闸管s
a4
反并联构成，b相下部双向开关由晶闸管s
b2
和晶闸管s
b4
反并联构成，c相下部双向开关由晶闸管s
c2
和晶闸管s
c4
反并联构成。
30.同时，a相上部双向开关中，吸收电容c
a1
和吸收电阻r
a1
串联后与晶闸管s
a1
并联，均压电阻r
a3
与晶闸管s
a3
并联；同理，b相上部双向开关中，吸收电容c
b1
和吸收电阻r
b1
串联后与晶闸管s
b1
并联，均压电阻r
b3
与晶闸管s
b3
并联；c相上部双向开关中，吸收电容c
c1
和吸收电阻r
c1
串联后与晶闸管s
c1
并联，均压电阻r
c3
与晶闸管s
c3
并联；a相下部双向开关中，吸收电容ca2
和吸收电阻r
a2
串联后与晶闸管s
a2
并联，均压电阻r
a4
与晶闸管s
a4
并联；同理，b相下部双向开关中，吸收电容c
b2
和吸收电阻r
b2
串联后与晶闸管s
b2
并联，均压电阻r
b4
与晶闸管s
b4
并联；c相下部双向开关中，吸收电容c
c2
和吸收电阻r
c2
串联后与晶闸管s
c2
并联，均压电阻r
c4
与晶闸管s
c4
并联。
31.结合图3所示，上部双向开关阀串的a、b、c三相一端和下部双向开关阀串串联的a、b、c三相一端分别通过串接铜排114形成串联结构，串接铜排114固定在中间连接铜板117上。a相上部双向开关中的均压电阻r
a3
和a相下部双向开关中的均压电阻r
a4
布置在a相上部双向开关和a相下部双向开关之间，同理，b相上部双向开关中的均压电阻r
b3
和b相下部双向开关中的均压电阻r
b4
布置在b相上部双向开关和b相下部双向开关之间，c相上部双向开关中的均压电阻r
c3
和c相下部双向开关中的均压电阻r
c4
布置在c相上部双向开关和c相下部双向开关之间，确保串联的两个均压电阻在静态下承载相同的电压应力。同时，上部双向开关阀串和下部双向开关阀串之间布置有均压电阻绝缘板108，以增强二者之间的电气绝缘性能。
32.a相上部双向开关的另一端、b相上部双向开关的另一端和c相上部双向开关的的另一端通过短接铜排104构成星型，短接铜排104固定在短接铜排绝缘板105上；a相下部双向开关的另一端、b相下部双向开关的另一端和c相下部双向开关的另一端分别连接到对应的输出电极铜柱110上作为主电路对外接口，三个输出电极铜柱110固定在输出电极绝缘板109上。
33.上部双向开关阀串由上压接组件固定。结合图4所示，上压接组件包括两组上端部导热板组件、两组上中间导热板组件及连接每相上部双向开关的两个晶闸管的u形铜排115(u形铜排115将左侧晶闸管的阳极和右侧晶闸管的阴极连接在一起构成上部双向开关的另一端)；每组上端部导热板组件包括端部导热板112和布置在端部导热板112内表面的导热隔离板113，每组上中间导热板组件包括中间导热板119和布置在中间导热板119内外表面的导热隔离板113，且导热隔离板113与u形铜排115之间均布置有陶瓷绝缘板116。压力螺杆103的一端依次穿过一组上端部导热板组件、两组上中间导热板组件后与金属固定压板101上部连接固定，且金属固定压板101与上端部导热板组件之间衬有上均匀压块102；压力螺杆103的另一端与上弹簧钢板106连接固定，且上弹簧钢板106与上端部导热板组件之间衬有上锥形压块107，上锥形压块107顶尖抵在上弹簧钢板106上，施加一定的压力使之产生对应的形变，实现整个阀串保持良好的电气连接。
34.由于晶闸管、u形铜排都带电，而导热板又与机壳相连，因此，为了安全性考虑，在u形铜排与导热板之间安装有导热隔离板、陶瓷绝缘板，一方面起到电气绝缘的作用，同时还具备热传导功能。端部导热板前侧和中间导热板前侧均布置有温度传感器118，通过电缆将信号输入到控制单元中，用于实时监测上压接组件的温升情况。
35.下部双向开关阀串由下压接组件固定，下压接组件与上压接组件的结构和安装一致，在此不再赘述。
36.由于该切换开关站装置工作于高电压、大电流工况，因而整个功率器件以及吸收电路在运行过程中会产生大量的热损耗，而又受限于装置的适装性约束，无法采用其它体积庞大的强制冷却方式，只能依靠自然冷却方式将这些热损耗及时散掉，因此，切换开关站装置的散热设计显得尤为重要。为了将功率器件的热量及时传递出来，所有功率器件的导
热板均与金属外壳相连，一方面起固定支撑的作用，另一方面承担热传递的角色。本实例中，端部导热板112和中间导热板119的底部与底板006之间、后端面与后盖板008之间、前端面与前面板009之间分别先涂上导热硅脂，再采用螺栓固定，以进一步减小热阻，增强散热性能。装置中的其它发热元件，如脉冲变压器模块003、吸收电容004、吸收电阻005分别也固定在底板006上，通过底板006将热量传递出去。