一种基于全控器件的电压源换流器子模块单元支撑架的制作方法
【专利摘要】本发明涉及电力电子领域的支撑架，具体涉及一种基于全控器件的电压源换流器子模块单元支撑架。所述支撑架包括平行设置的两根主梁，在两根主梁的之间垂直设有依次排布的横梁，四根立柱分别竖直设置于所述两根主梁上，所述两根主梁、横梁和四根立柱通过焊接的方式组成所述支撑架的矩形框架；元件板水平设置于由四根立柱组成的矩形端面上。本发明结构简单牢固、安装简易快速，布局紧凑、空间利用率大；使用标准型材，取材便利，加工简单，成本低廉；按照器件功能设计各部分结构，再将各结构优化融合，布局合理，功能单元区分明晰。
【专利说明】一种基于全控器件的电压源换流器子模块单元支撑架
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力电子领域的支撑架，具体涉及一种基于全控器件的电压源换流器子模块单元支撑架。
【背景技术】
[0002]基于电压源换流器的高电压直流输电技术，其特点是采用全控型电力电子器件构成的电压源换流器取代常规直流输电中基于半控型晶闸管器件的电压源换流器。
[0003]不同的工程可能具有不同的电压等级，现有技术是采用模块化方式，将电压源换流器设计为基本功能单元，根据不同的电压等级选择需要串联的基本功能单元个数。随着电压等级的不断提高，需要串联的基本功能单元数可能几百甚至数千个，基本功能单元采用塔式结构相互串联，不同的塔之间再由铜排连接。
[0004]目前普遍使用的基本功能单元支撑架只是简单的将器件排列布置在两根主梁之上，器件之间没有做单独的电磁屏蔽处理，可能产生电磁干扰；器件简单排列布置，对通流母排的布局考虑不足可能产生杂散电感，干扰正常工作；器件简单排列布置，没有进行模块化设计，导致某一个零件简单的结构改动，却牵动大量其他零件的结构同时改动，造成人力物力财力的浪费。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于全控器件的电压源换流器子模块单元支撑架，本发明结构简单牢固、安装简易快速，布局紧凑、空间利用率大；使用标准型材，取材便利，加工简单，成本低廉；按照器件功能设计各部分结构，再将各结构优化融合，布局合理，功能单兀区分明晰。
[0006]本发明的目的是采用下述技术方案实现的:
[0007]本发明提供一种基于全控器件的电压源换流器子模块单元支撑架，所述电压源换流器为三相六桥臂结构，每个桥臂包括串联的子模块单元；其改进之处在于，所述支撑架包括平行设置的两根主梁、其间设有横梁和竖直设置于所述主梁上的立柱；
[0008]所述主梁和横梁均是40X20X3的不锈钢材质矩形管，主梁的长度和立柱的高度根据工程实际确定；所述立柱是由3毫米厚度的不锈钢板冲压而成。
[0009]进一步地，所述立柱数目为4，其所支撑的元件板位于所述两根主梁和横梁所组成的底架一端，所述立柱另一端支撑元件板；所述元件板与所述底架平行且其轴向长度小于所述底架长度，其横向宽度大于或等于所述底架宽度，其与所述底架间的垂直距离大于或等于所述底架横向距离。
[0010]进一步地，所述两根主梁、横梁和四根立柱通过焊接的方式组成所述支撑架的矩形框架；元件板水平设置于由四根立柱组成的矩形端面上。
[0011]进一步地，所述两根主梁和横梁采用相同矩形截面的型材，且两根主梁截面长边沿竖直方向放置，横梁截面短边沿竖直方向放置；依次排布的第一个横梁设置于两根主梁的端点处；相邻两个横梁之间的距离视其支撑的子模块单元而定，横梁之间的间距在400?500晕米之间。
[0012]进一步地，在所述两根主梁的竖直侧面内嵌焊接有吊装套，用于吊装子模块单元；所述吊装套的一端伸出主梁的外侧面，另一端与主梁的内侧面齐平，且在伸出主梁吊装套的正上方焊接有连接吊装套与主梁的吊装套加强筋。
[0013]进一步地，所述四根立柱分别竖直焊接于所述两根主梁上，构成矩形框架，且在互成对角的位置使用同一种立柱；短边相邻两个立柱之间的间距为250毫米；长边相邻两个立柱之间的间距为450毫米。
[0014]进一步地，所述四根立柱的截面均为C型槽梁形状，且在每根立柱的侧面冲压出直角翻边，用于在四根立柱构成的矩形框架内安装子模块单元的电路板；所述四根立柱的C型槽梁开口均朝向矩形框架内部，所述矩形框架短边上的两根立柱外形互为镜像关系。
[0015]进一步地，在所述四根立柱的上端朝向矩形框架内部侧面均焊接有元件板定位螺母，且元件板定位螺母的上端面与立柱的上端点之间设有1-1Omm的间隙，所述元件板定位螺母上设有孔，互成对角位置上的两个孔，其中一个为圆孔，另一个为过孔。
[0016]进一步地，所述元件板的下表面与立柱的上端面接触，即与元件板定位螺母之间留有1-10_的间隙，用于实现通过螺钉锁紧元件板。
[0017]进一步地，在所述两根主梁上对称焊接有电容器定位螺母，用于支撑并固定电容器；第一组电容器定位螺母与相邻立柱之间的间距为330毫米；相邻两个电容器定位螺母之间的间距为430毫米。
[0018]进一步地，在所述主梁的下侧内嵌设有安装定位螺母，用于将整个支撑架固定于操作平台上；
[0019]所述安装定位螺母内嵌焊接于主梁的下侧。
[0020]进一步地，所述主梁焊接安装定位螺母的位置上形成内腔，在内腔下侧的壁上等距加工有三个通孔，其中中间的通孔与安装定位螺母的螺纹孔同轴布置，另外两侧通孔用于从主梁外部焊接安装定位螺母。
[0021]进一步地，所述子模块单元包括电容器、半桥结构的IGBT模块、支撑模块、支撑板、连接水管和散热器；所述电容器和半桥结构的IGBT模块并联构成电力元器件；
[0022]所述支撑模块用于支撑电力元器件、支撑板、连接水管和散热器；所述支撑板与所述支撑模块的底座垂直设置；
[0023]所述支撑板上有两块对称设置的散热器，所述两个散热器之间通过连接水管连接；
[0024]半桥结构的两个IGBT模块分别对应设置在所述两个散热器上；
[0025]每个子模块单元的电容器通过螺栓固定在支撑模块的底座上。
[0026]进一步地，所述子模块单元包括晶闸管和真空开关；所述晶闸管与半桥结构的IGBT模块的下管IGBT并联；
[0027]所述晶闸管压装于子模块单元的电容的正负出线母排间；所述真空开关通过螺栓固定在所述支撑板上。
[0028]进一步地，所述子模块单元包括取能电源和二次控制系统，所述取能电源从所述电容器取能，为所述二次控制系统供电，所述二次控制系统用于控制所述半桥结构的IGBT模块、真空开关和晶闸管；所述取能电源位于真空开关下方，所述取能电源用金属外壳封装，其外壳与所述支撑模块接触，用于保证等电位；
[0029]所述二次控制系统位于所述取能电源上方，二次控制系统的外壳与所述支撑模块接触，用于保证等电位。
[0030]与现有技术比，本发明达到的有益效果是:
[0031]1、本发明根据器件的不同功能将支撑架进行独特设计，每处结构均根据器件特点而定，最终将各个部分优化融合为一个整体。结构简单牢固、安装简易快速，布局紧凑、空间利用率大；使用标准型材，取材便利，加工简单，成本低廉；按照器件功能设计各部分结构，再将各结构优化融合，布局合理，功能单元区分明晰。
[0032]2、本发明将器件根据功能进行组合，使子模块划分为几个组件模块形式，例如:一次部分的IGBT、晶闸管、母排、散热器等均集成在元件板之上，一次部分组装完毕后，只需将元件板和底架立柱连接即可完成一次部分的装配，而且装配定位准确。二次部分的控制电路和电源分别集成在两个金属盒内，并使用抽屉式结构固定在由立柱、主梁、电路板托架组成的框架内，拆装便捷，且电磁屏蔽效果较好。电容体积、重量都较大，放置于子模块后部，并根据电容与其他器件的高度差，设计立柱、电容定位螺母的尺寸，使整个子模块的内部空间、外部尺寸布局合理，减少空间浪费。子模块的四个吊装点隐藏于两个主梁内，使吊装方式由现有的顶部提拉，改进为底部托举；并通过计算，使子模块的重心位于四个吊装点的中心位置，降低主梁变形，吊装过程也更加稳定。整体结构采用焊接、铆接的连接形式，既降低了装配工作量，又减少了螺栓防松设计。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]图1是本发明提供的电压源换流器子模块单元支撑架的立体结构图；
[0034]图2是本发明提供的电压源换流器子模块单元支撑架的主视图；
[0035]图3是本发明提供的电压源换流器子模块单元支撑架的俯视图；
[0036]图4是本发明提供的电压源换流器子模块单元支撑架的局部放大图一；
[0037]图5是本发明提供的电压源换流器子模块单元支撑架的局部放大图二 ；
[0038]图6是本发明提供的电压源换流器子模块单元支撑架的局部放大图三；
[0039]其中:1_主梁Al ;2-横梁；3_主梁B3 ;4_立柱B4 ;5_立柱A5 ;6_元件板；7_电路板托架；8_吊装套；9_吊装套加强筋；10_电容器定位螺母；11-元件板定位螺母；12_安装定位螺母。
【具体实施方式】
[0040]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步的详细说明。
[0041]本发明提供一种基于全控器件的电压源换流器子模块单元支撑架，立体图、主视图和俯视图分别如图1、2和3所示，所述电压源换流器为三相六桥臂结构，每个桥臂包括串联的子模块单元，所述支撑架用于固定所述子模块单元；子模块单元包括电容器、半桥结构的IGBT模块、支撑模块、支撑板、连接水管和散热器；所述电容器和半桥结构的IGBT模块并联构成电力元器件；所述支撑模块用于支撑电力元器件、支撑板、连接水管和散热器；所述支撑板与所述支撑模块的底座垂直设置；所述支撑板上有两块对称设置的散热器，所述两个散热器之间通过连接水管连接；半桥结构的两个IGBT模块分别对应设置在所述两个散热器上；每个子模块单元的电容器通过螺栓固定在支撑模块的底座上。
[0042]所述子模块单元包括晶闸管和真空开关；所述晶闸管与半桥结构的IGBT模块的下管IGBT并联；所述晶闸管压装于子模块单元的电容的正负出线母排间；所述真空开关通过螺栓固定在所述支撑板上。
[0043]所述子模块单元还包括取能电源和二次控制系统，所述取能电源从所述电容器取能，为所述二次控制系统供电，所述二次控制系统用于控制所述半桥结构的IGBT模块、真空开关和晶闸管；所述取能电源位于真空开关下方，所述取能电源用金属外壳封装，其外壳与所述支撑模块接触，用于保证等电位；所述二次控制系统位于所述取能电源上方，二次控制系统的外壳与所述支撑模块接触，用于保证等电位。
[0044]所述子模块单元还包括两个串联的均压电阻；所述均压电阻放置于所述散热器上，与IGBT器件异侧。
[0045]所述二次控制系统为集成板卡，其用金属外壳封装。
[0046]本发明提供一种基于全控器件的电压源换流器子模块单元支撑架，包括平行设置的两根主梁、其间设有横梁和竖直设置于所述主梁上的立柱。所述立柱数目为4，其所支撑的元件板位于所述两根主梁和横梁所组成的底架一端，所述元件板与所述底架平行且其轴向长度小于所述底架长度，其横向宽度大于或等于所述底架宽度，其与所述底架间的垂直距离大于或等于所述底架横向距离。两根主梁、横梁和四根立柱通过焊接的方式组成所述支撑架的矩形框架；元件板水平设置于由四根立柱组成的矩形端面上。所述两根主梁和横梁采用相同矩形截面的型材，且两根主梁截面长边沿竖直方向放置，横梁截面短边沿竖直方向放置；依次排布的第一个横梁设置于两根主梁的端点处。相邻两个横梁之间的距离视其支撑的子模块单元而定，横梁之间的间距在400?500毫米之间。
[0047]在所述两根主梁的竖直侧面内嵌焊接有吊装套，用于吊装子模块单元；所述吊装套的一端伸出主梁的外侧面，另一端与主梁的内侧面齐平，且在伸出主梁吊装套的正上方焊接有连接吊装套与主梁的吊装套加强筋。吊装套的局部放大图如图6所示。所述四根立柱分别竖直焊接于所述两根主梁上，构成矩形框架，且在互成对角的位置使用同一种立柱。短边相邻两个立柱之间的间距为250毫米；长边相邻两个立柱之间的间距为450毫米。
[0048]四根立柱的截面均为C型槽梁形状，且在每根立柱的侧面冲压出直角翻边，用于在四根立柱构成的矩形框架内安装子模块单元的电路板；所述四根立柱的C型槽梁开口均朝向矩形框架内部，所述矩形框架短边上的两根立柱外形互为镜像关系。在所述四根立柱的上端朝向矩形框架内部侧面均焊接有元件板定位螺母，且元件板定位螺母的上端面与立柱的上端点之间设有1-1Omm的间隙，所述元件板定位螺母上设有孔，互成对角位置上的两个孔，其中一个为圆孔，另一个为过孔。元件板定位螺母的局部放大图如图4所示。
[0049]元件板的下表面与立柱的上端面接触，即与元件板定位螺母之间留有1-1Omm的间隙，用于实现通过螺钉锁紧元件板。在所述两根主梁上对称焊接有电容器定位螺母，用于支撑并固定电容器；第一组电容器定位螺母与相邻立柱之间的间距为330毫米；相邻两个电容器定位螺母之间的间距为430毫米。
[0050]在所述主梁的下侧内嵌设有安装定位螺母，用于将整个支撑架固定于操作平台上；所述安装定位螺母内嵌焊接于主梁的下侧。所述主梁焊接安装定位螺母的位置上形成内腔，在内腔下侧的壁上等距加工有三个通孔，其中中间的通孔与安装定位螺母的螺纹孔同轴布置，另外两侧通孔用于从主梁外部焊接安装定位螺母。安装定位螺母的局部放大图如图5所示。
[0051]实施例
[0052]所述支撑架包括主梁Al 1、横梁2、3主梁B3、立柱B44、立柱A55、元件板6、电路板托架7、吊装套8、吊装套加强筋9、电容器定位螺母10、元件板定位螺母11和安装定位螺母12。
[0053]所述主梁Al、主梁B3、横梁2、立柱A5、立柱B4通过焊接构成本支撑架主体框架。所述元件板定位螺母11焊接于所述立柱Al及立柱B5内部，用于固定所述元件板6 ;所述元件板6水平放置于所述立柱Al、立柱B3的上端面，并通过螺钉与元件板定位螺母11固定；所述电容定位螺母10焊接于所述主梁Al、主梁B3的右半部分的上表面，用于支撑并固定电容器；所述吊装套8分别内嵌焊接于所述主梁Al、主梁B3的左右端的外侧部，用于吊装基本功能单元；所述安装定位螺母12内嵌焊接于所述主梁Al、主梁B3的左右端的下侧，用于固定安装子模块单元。
[0054]主梁Al和主梁B3平行设置，在主梁Al和主梁B3之间垂直设有依次排布的横梁2，立柱A5和立柱B4成对竖直焊接于主梁Al和主梁B3的左端上侧面，构成矩形框架，且在互成对角的位置使用同一种立柱，减少零件种类；元件板6水平设置于由四根立柱组成的矩形端面上。
[0055]所述主梁Al、主梁B3、横梁2采用相同矩形截面型材，且主梁Al、主梁B3截面长边沿竖直方向放置，横梁2截面短边沿竖直方向放置。立柱A5、立柱B4的截面均为C型槽梁形状，且在立柱的侧面冲压出直角翻边，用于在四根立柱构成的框架内部安装子模块单元电路板；且四根立柱的C型槽梁开口均朝向框架内部，立柱A5与立柱B4的外形互为镜像。
[0056]两组立柱A5、立柱B4的上端内侧面都焊接有元件板定位螺母11，且元件板定位螺母11的上端面与立柱的上端面留有1-10毫米间隙；元件板6水平放置于两组立柱A5、立柱B4构成的框架的上端面，且元件板6的下表面只与立柱的上端面接触，与元件板定位螺母11的上端面保持1-10毫米间隙，便于通过螺钉锁紧元件板6 ;元件板6与元件板定位螺母11连接的四个通孔中，左侧两个通孔为圆孔，右侧两个通孔为过孔。
[0057]分别位于主梁Al、主梁B3左右两端的竖直侧面内嵌焊接有吊装套8，吊装套8 一端伸出主梁的外侧面，另一端与主梁的内侧面齐平，且在吊装套8伸出主梁的正上方焊接有连接吊装套与主梁的吊装套加强筋9。
[0058]在主梁Al、主梁B3中空内腔的左右两端下侧壁上焊接有安装定位螺母12，用于将整个支撑架固定于其他平台之上；主梁Al、主梁B3焊接安装定位螺母12的内腔下侧壁上等距加工有三个通孔，其中中间的通孔与安装定位螺母12的螺纹孔同轴布置，两侧通孔用于从主梁外部焊接安装定位螺母。
[0059]本发明根据器件的不同功能将支撑结构进行独特设计，每处结构均根据器件特点而定，最终将各个部分优化融合为一个整体。本发明结构简洁牢固、安装简易可靠，所用材料均为标准型材，便于加工制造且成本较低。
[0060]最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的【具体实施方式】进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【权利要求】
1.一种基于全控器件的电压源换流器子模块单元支撑架，所述电压源换流器为三相六桥臂结构，每个桥臂包括串联的子模块单元；其特征在于，所述支撑架包括平行设置的两根主梁、其间设有横梁和竖直设置于所述主梁上的立柱； 所述主梁和横梁均是40X20X3的不锈钢材质矩形管，主梁的长度和立柱的高度根据工程实际确定；所述立柱是由3毫米厚度的不锈钢板冲压而成。
2.如权利要求1所述的支撑架，其特征在于，所述立柱数目为4，其所支撑的元件板位于所述两根主梁和横梁所组成的底架一端，所述立柱另一端支撑元件板；所述元件板与所述底架平行且其轴向长度小于所述底架长度，其横向宽度大于或等于所述底架宽度，其与所述底架间的垂直距离大于或等于所述底架横向距离。
3.如权利要求2所述的支撑架，其特征在于，所述两根主梁、横梁和四根立柱通过焊接的方式组成所述支撑架的矩形框架；元件板水平设置于由四根立柱组成的矩形端面上。
4.如权利要求3所述的支撑架，其特征在于，所述两根主梁和横梁采用相同矩形截面的型材，且两根主梁截面长边沿竖直方向放置，横梁截面短边沿竖直方向放置；依次排布的第一个横梁设置于两根主梁的端点处；相邻两个横梁之间的距离视其支撑的子模块单元而定，横梁之间的间距在400~500毫米之间。
5.如权利要求3所述的支撑架，其特征在于，在所述两根主梁的竖直侧面内嵌焊接有吊装套，用于吊装子模块单元；所述吊装套的一端伸出主梁的外侧面，另一端与主梁的内侧面齐平，且在伸出主梁吊装套的正上方焊接有连接吊装套与主梁的吊装套加强筋。
6.如权利要求3所述的支撑架，其特征在于，所述四根立柱分别竖直焊接于所述两根主梁上，构成矩形框架，且在互成对角的位置使用同一种立柱；短边相邻两个立柱之间的间距为250毫米；长边相邻两个立柱之间的间距为450毫米。
7.如权利要求6所述的支撑架，其特征在于，所述四根立柱的截面均为C型槽梁形状，且在每根立柱的侧面冲压出直角翻边，用于在四根立柱构成的矩形框架内安装子模块单元的电路板；所述四根立柱的C型槽梁开口均朝向矩形框架内部，所述矩形框架短边上的两根立柱外形互为镜像关系。
8.如权利要求6所述的支撑架，其特征在于，在所述四根立柱的上端朝向矩形框架内部侧面均焊接有元件板定位螺母，且元件板定位螺母的上端面与立柱的上端点之间设有1-1Omm的间隙，所述元件板定位螺母上设有孔，互成对角位置上的两个孔，其中一个为圆孔，另一个为过孔。
9.如权利要求1所述的支撑架，其特征在于，所述元件板的下表面与立柱的上端面接触，即与元件板定位螺母之间留有1-10_的间隙，用于实现通过螺钉锁紧元件板。
10.如权利要求1所述的支撑架，其特征在于，在所述两根主梁上对称焊接有电容器定位螺母，用于支撑并固定电容器；第一组电容器定位螺母与相邻立柱之间的间距为330毫米；相邻两个电容器定位螺母之间的间距为430毫米。
11.如权利要求1所述的支撑架，其特征在于，在所述主梁的下侧内嵌设有安装定位螺母，用于将整个支撑架固定于操作平台上； 所述安装定位螺母内嵌焊接于主梁的下侧。
12.如权利要求11所述的支撑架，其特征在于，所述主梁焊接安装定位螺母的位置上形成内腔，在内腔下侧的壁上等距加工有三个通孔，其中中间的通孔与安装定位螺母的螺纹孔同轴布置，另外两侧通孔用于从主梁外部焊接安装定位螺母。
13.如权利要求11所述的支撑架，其特征在于，所述子模块单元包括电容器、半桥结构的IGBT模块、支撑模块、支撑板、连接水管和散热器；所述电容器和半桥结构的IGBT模块并联构成电力元器件； 所述支撑模块用于支撑电力元器件、支撑板、连接水管和散热器；所述支撑板与所述支撑模块的底座垂直设置； 所述支撑板上有两块对称设置的散热器，所述两个散热器之间通过连接水管连接； 半桥结构的两个IGBT模块分别对应设置在所述两个散热器上； 每个子模块单元的电容器通过螺栓固定在支撑模块的底座上。
14.如权利要求13所述的支撑架，其特征在于，所述子模块单元包括晶闸管和真空开关；所述晶闸管与半桥结构的IGBT模块的下管IGBT并联； 所述晶闸管压装于子模块单元的电容的正负出线母排间；所述真空开关通过螺栓固定在所述支撑板上。
15.如权利要求13所述的支撑架，其特征在于，所述子模块单元包括取能电源和二次控制系统，所述取能电源从所述电容器取能，为所述二次控制系统供电，所述二次控制系统用于控制所述半桥结构的IGBT模块、真空开关和晶闸管；所述取能电源位于真空开关下方，所述取能电源用金属外壳封装，其外壳与所述支撑模块接触，用于保证等电位； 所述二次控制系统位于所述取能电源上方，二次控制系统的外壳与所述支撑模块接触，用于保证等电位。
【文档编号】H05K7/14GK103633819SQ201310554155
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年11月8日 优先权日:2013年11月8日
【发明者】谢剑, 欧阳文敏, 董巍, 安靖, 王治翔 申请人:国家电网公司, 国网智能电网研究院, 中电普瑞电力工程有限公司, 国网辽宁省电力有限公司大连供电公司