CN103401435B - 用于变流器的非同相逆并联水冷铝合金制均流桥臂结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于变流器的非同相逆并联水冷铝合金制均流桥臂结构，该结构采用水冷铝合金排作为晶闸管和快熔的汇流排，两排平行布局，晶闸管和快熔双面对称安装在晶闸管排和汇流排上，晶闸管和快熔在汇流排长度方向上依次平行布置。为了满足均流需求，该结构尽量减小相邻晶闸管之间的间距，同时也尽量缩小快熔排和晶闸管排的间距。该结构的并联支路的截面，支路导体的长度，可根据具体均流需求调整，并联支路的导体材料可根据实际应用，选择铝合金、铝箔叠片和不锈钢叠片。试验结果显示，采用该结构的变流器不仅可以弥补同相逆并联结构和同轴对称结构的缺陷，还具有优异的均流特性。该桥臂结构在高压大电流高功率变流领域很有应用价值。

Description

用于变流器的非同相逆并联水冷铝合金制均流桥臂结构

技术领域

本发明涉及变流器桥臂领域，具体为一种用于变流器的非同相逆并联水冷铝合金制均流桥臂结构。

背景技术

就国内而言，在大电流高功率变流领域，同相逆并联结构变流器因其利用逆并联导电排磁场相互抵消作用，从而降低了变流器内部及变流器和整流变之间连接排的损耗，提高整流效率，这种结构同时也改善了并联晶闸管或二极管的均流。因此，同相逆并联桥臂结构在电解、冶炼、氯碱、磁约束核聚变试验等领域的变流***被广泛采用。

随着变流***功率和电压的增加，尤其是该类型的变流***恶性故障陆续发生，这种桥臂结构的弊端也就慢慢体现出来。为了充分利用同相逆并联桥臂和连接排的磁场抵消作用，同相逆并联结构的桥臂和连接排之间的距离很近，一旦发生短路故障，逆并联桥臂和逆并联排之间的电动力很大，往往会造成变流设备的严重损坏。同相逆并联结构的桥臂结构和连接结构复杂，相应的冷却水路也将变得十分复杂。这都会导致安装和维护成本的增加，而复杂的结构同样也会增大故障的风险。

在国外，部分变流***采用同轴对称式桥臂结构，这种结构也部分采用磁场抵消的方法改善和优化变流器内部的磁场分布，进而降低***损耗和改善均流；而且也克服晶闸管管压降过高的问题。但是，这种结构中，同轴分布的交流排和直流排之间的绝缘问题，也极大限制了这种结构在高电压变流***中的应用。况且这种结构还会带来晶闸管散热不充分的问题，从而可能会导致晶闸管降低参数使用，这也会引起变流器制造成本的增加。

非同相逆并联桥臂结构是符合经典理论且各方面性能都比较均衡结构。非同相逆并联结构克服了同相逆并联结构故障时，灾难性电动力的破坏，同时大大简化了变流器主回路及其冷却水路的结构。非同相逆并联结构的管压降仅为同相逆并联结构管压降的一半。况且，非同相逆并联结构的绝缘和晶闸管冷却方式也都明显比同轴对称式结构更优。

但是，随着并联晶闸管（或二极管）数目的增加，变流器桥臂的均流效果都会变差。因此解决晶闸管均流问题，也是高功率大电流变流***无法回避的问题。桥臂的均流效果直接影响着大电流变流***的稳定性、可靠性和成本。从大量的工业应用中，不少的资料和文献也定性的总结出影响桥臂均流的因素，但是，这些定性结论，在工程应用中仍然难以解决实际的均流问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于变流器的非同相逆并联水冷铝合金制均流桥臂结构，以解决现有技术条件下，变流器桥臂均流问题难以解决的问题

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

用于变流器的非同相逆并联水冷铝合金制均流桥臂结构，其特征在于：包括长边相互平行、并保持适当间隙的两个水冷铝合金制汇流排，其中一个汇流排为半导体元件汇流排，另一个汇流排为快速熔断器汇流排，所述半导体元件汇流排上的两个安装面上，沿与汇流排长边平行的直线一字排列地安装多个半导体元件，快速熔断器汇流排上的两个安装面上，沿与汇流排长边平行的直线一字排列地安装多个快速熔断器，两汇流排上的半导体元件、快速熔断器位置一一对应，对应的半导体元件与快速熔断器之间通过截面积和长度均可调的连接导体串联，由半导体元件、快速熔断器和连接导体构成的多路并联支路连通半导体汇流排和快速熔断器汇流排。

所述的用于变流器的非同相逆并联水冷铝合金制均流桥臂结构，其特征在于：所述汇流排的截面为正方形或长方形，汇流排的截面尺寸根据要求的桥臂载流密度和电磁结构分析确定，两并行设置的汇流排各自两端至少有相同方向的一端为非对齐的，其中快速熔断器汇流排一端超出半导体元件汇流排相同方向的一端，半导体元件汇流排另一端超出快速熔断器汇流排相同方向的另一端或与快速熔断器汇流排相同方向的另一端对齐，两并行设置的汇流排之间间距在绝缘允许的条件下做到最小。

所述的用于变流器的非同相逆并联水冷铝合金制均流桥臂结构，其特征在于：两根汇流排各有两个安装面，分别进行半导体元件和快速熔断器的安装，通过连接导体串联的半导体元件和快速熔断器之间的中心连线与两汇流排长边方向垂直，相邻的半导体元件和相邻的快速熔断器分别在各自汇流排上等间距沿一字排列，且半导体元件之间间距与快速熔断器之间间距相等，半导体元件之间间距与快速熔断器之间间距在安装和维护方便的条件下做到最小。

所述的用于变流器的非同相逆并联水冷铝合金制均流桥臂结构，其特征在于：通过将连接导体中间成型为拱起的方式，以增加连接导体的长度，通过调整多个连接导体的不同拱起高度获得多个不同长度的连接导体，使不同长度的连接导体具有不同的电感。

所述的用于变流器的非同相逆并联水冷铝合金制均流桥臂结构，其特征在于：所述连接导体为铝合金型材，或者是铝合金叠片，或者是不锈钢型材，或者是不锈钢叠片，或者是上述型材和叠片同种材料的焊接体；

当连接导体为铝合金或不锈钢型材时，根据均流的需要可调整连接导体的截面积以调整连接导体的电阻和电感；

当连接导体为铝合金或不锈钢叠片时，根据均流的需要可调整叠片的层数以调整连接导体的电阻和电感；

当连接导体为型材和叠片的焊接体时，根据均流的需要可综合运用上述两种手段调整连接导体的电阻和电感。

所述的用于变流器的非同相逆并联水冷铝合金制均流桥臂结构，其特征在于：所述半导体元件为晶闸管或电力二极管。

本发明降低了高功率大电流变流器因巨大故障电流损坏的风险，降低了变流器用半导体元件过压故障时的管压降，减小了半导体元件过压损坏的概率，简化了变流器电气回路和冷却水路的结构，增加了变流***的稳定性，降低了建造成本，改善了变流桥臂半导体元件的均流。

本发明的有益结果为：

（1）取消同相逆并联结构，避免了发生短路故障时，巨大的电动力造成变流器或连接排严重损毁的危险。

（2）过压故障情况下，非同相逆并联结构的管压降只是同相逆并联结构管压降的一半，极大较少了半导体元件过压损坏的概率，同时元件选型时节省成本。

（3）简化了变流器回路和水冷***，提高***运行的可靠性，也降低了制造成本。

（4）明显提高了桥臂的均流系数，改善了桥臂均流，在高达12个并联支路的情况下，均流系数高达0.8。

附图说明

图1为非同相逆并联桥臂结构的原始模型图。

图2为本发明连接导体的结构示意图，其中：

图2a为连接导体中间弯曲时结构示意图，图2b为连接导体中间圆形拱起时结构示意图；图2c为连接导体中间矩形拱起时结构示意图，图2d为连接导体中间整体拱起时结构示意图。

图3为本发明具体实施方式一中结构示意图。

图4为图3所示结构的样机试验结果图，其中：

图4a为半导体元件电流波形图，图4b为半导体元件电流分布图。

图5为本发明具体实施方式二中结构示意图。

图6为图5所示结构的样机试验结果图，其中：

图6a为半导体元件电流波形图，图6b为半导体元件电流分布图。

具体实施方式

在实际的工程需要中，非同相逆并联结构虽然克服同相逆并联变流桥臂结构的种种弊端，但是随着并联晶闸管数目的增多，不可避免导致均流系数的降低。图1给出一种非同相逆并联桥臂结构的原型，其均流系数仅为0.62。

影响均流的主要原因主要为：晶闸管开通不同步；晶闸管导通特性差异；晶闸管的开通时间长短差异；晶闸管的安装导致并联支路接触电阻差异；以及变流桥臂结构等。对于桥臂结构以外的因素，目前都有很好的解决办法。但是，桥臂结构依然是困扰变流器结构设计的一个关键问题。

计算并提取非同相逆并联桥臂结构（图1）中，各段导体的电阻和电感矩阵，并对其进行分析，获得一种均流效果良好的非同相逆并联桥臂结构。该结构的特点主要为：晶闸管和快熔分别关于晶闸管排和快熔排轴对称安装。晶闸管的并联数目可根据变流器的输出电流要求确定，晶闸管和快熔分别沿晶闸管排和快熔排长度方向布置，相邻晶闸管间距应在安装和维护允许的条件下尽量小，晶闸管排和快熔排间距应在满足绝缘和安装要求情况下尽量小。至于晶闸管和快熔的型号、汇流排尺寸应根据具体的工程需要而定。连接快熔和晶闸管的并联支路的截面积，和并联支路的形状都可以根据实际的均流需要进行调整，至于并联支路导体材料也可以视具体应用条件选择铝型材、铝箔叠片、不锈钢叠片或其焊接体等。而延长并联支路导体长度的方法，主要是使支路导体中部拱起。图2给出拱起形状的其中4个例子。

拱起的高度和形状根据具体的均流需求进行选择和调整，总体的原则是如果希望增加该支路的电流抑制，则增加拱高，增大拱起的形状，从而增加该支路导体的自感及与其它支路的互感。而图2中中的结构对电流的抑制作用从a至d依次增强。

如图4、图6所示。用于变流器的非同相逆并联水冷铝合金制均流桥臂结构，包括长边相互平行、并保持适当间隙的两个水冷铝合金制成的汇流排，其中一个汇流排为半导体元件汇流排1，另一个汇流排为快速熔断器汇流排2，半导体元件汇流排1上安装有多个沿与汇流排长边平行的直线一字排列的半导体元件3，快速熔断器汇流排2上安装有多个沿与汇流排长边平行的直线一字排列的快速熔断器4，两汇流排上的半导体元件3、快速熔断器4位置一一对应相互对称，相互对称的半导体元件3与快速熔断器4之间通过截面积和长度均可调的连接导体5串联。

汇流排的截面为正方形或长方形，汇流排的截面尺寸根据要求的桥臂载流密度和电磁结构分析确定，两并行设置的汇流排各自两端至少有相同方向的一端为非对齐的，其中快速熔断器汇流排2一端超出半导体元件汇流排1相同方向的一端，半导体元件汇流排1另一端超出快速熔断器汇流排2相同方向的另一端或与快速熔断器汇流排2相同方向的另一端对齐，两并行设置的汇流排之间间距在绝缘允许的条件下做到最小。

通过连接导体5串联的半导体元件3和快速熔断器4之间的中心连线与两汇流排长边方向垂直，相邻的半导体元件3和相邻的快速熔断器4分别在各自汇流排上等间距沿一字排列，且半导体元件3之间间距与快速熔断器4之间间距相等，半导体元件3之间间距与快速熔断器4之间间距在安装和维护方便的条件下做到最小。

通过将连接导体5中间成型为拱起的方式，以增加连接导体5的长度，通过调整多个连接导体5的不同拱起高度获得多个不同长度的连接导体，使不同长度的连接导体具有不同的电阻和电感。

连接导体5为铝合金或不锈钢型材时，根据均流的需要可调整连接导体的截面积以调整连接导体的电阻和电感；

连接导体5为铝合金或不锈钢叠片时，根据均流的需要可调整叠片的层数以调整连接导体的电阻和电感；

连接导体5为型材和叠片的焊接体时，根据均流的需要可综合运用上述两种手段调整连接导体的电阻和电感。

半导体元件3为晶闸管或电力二极管。

具体实施例一：

如图3、图4所示。根据上述的桥臂结构，并结合并联支路的上述的形状，基于大量的分析计算，提供一种非同相逆并联水冷铝合金均流桥臂的结构，该结构的主要尺寸参数（单位：mm）为：

晶闸管排：230×90×2120；

快熔排：230×90×2320；

晶闸管排和快熔排间距：50；

相邻晶闸管间距：270；

并联支路数：12；

并联支路截面：120×10；

晶闸管高度：71；

快熔高度：132；

外部并联支路拱高（离汇流排表面）：332；

外部并联支路拱起长度：450；

圆角或转角半径：50（内），60（外）；

导体材料：铝合金。

其3D结构如图3所示，其对应的均流试验波形和并联晶闸管电流分布如图4所示。样机试验结果显示，该结构均流系数高达0.81。此桥臂结构的均流系数比普通非同相逆并联桥臂结构（例如图1）明显提高。

具体实施例二：

如图5、图6所示。根据上述的桥臂结构，并结合并联支路的上述的形状，提供第二种非同相逆并联水冷铝合金均流桥臂的结构，该结构的主要尺寸参数（单位：mm）为：

晶闸管排：230×90×2120；

快熔排：230×90×2320；

晶闸管排和快熔排间距：50；

相邻晶闸管间距：270；

并联支路数：12；

并联支路截面：120×10；

晶闸管高度：71；

快熔高度：132；

外部并联支路拱高（离汇流排表面）：332；

外部并联支路拱起长度：180；

圆角或转角半径：50（内），60（外）；

导体材料：铝合金。

其3D结构如图5所示，其对应的均流试验波形和并联晶闸管电流分布如图6所示。试验结果显示，该结构均流系数高达0.79。此桥臂结构的均流系数比普通非同相逆并联桥臂结构（例如图1）明显提高。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

上述非同相逆并联水冷铝合金均流桥臂结构的可行性及其优点已经过仿真和试验的验证。在试制的样机上进行的试验，充分证实了该桥臂结构具有优异的均流性能。同时，该结构在避免和抵御短路电流电动力冲击能力、降低晶闸管管压降和简化变流回路及其水冷***方面表现明显优于同相逆并联结构。在绝缘等级、晶闸管冷却和降低成本方面明显优于同轴对称式结构。并且具有优异的均流特性。因此，这种桥臂结构在高压大电流高功率变流领域很有应用价值。

Claims (6)

1.用于变流器的非同相逆并联水冷铝合金制均流桥臂结构，其特征在于：包括长边相互平行、并保持适当间隙的两个水冷铝合金制汇流排，其中一个汇流排为半导体元件汇流排，另一个汇流排为快速熔断器汇流排，所述半导体元件汇流排上的两个安装面上，沿与汇流排长边平行的直线一字排列地安装多个半导体元件，快速熔断器汇流排上的两个安装面上，沿与汇流排长边平行的直线一字排列地安装多个快速熔断器，两汇流排上的半导体元件、快速熔断器位置一一对应，对应的半导体元件与快速熔断器之间通过截面积和长度均可调的连接导体串联，由半导体元件、快速熔断器和连接导体构成的多路并联支路连通半导体汇流排和快速熔断器汇流排。

2.根据权利要求1所述的用于变流器的非同相逆并联水冷铝合金制均流桥臂结构，其特征在于：所述汇流排的截面为正方形或长方形，汇流排的截面尺寸根据要求的桥臂载流密度和电磁结构分析确定，两并行设置的汇流排各自两端至少有相同方向的一端为非对齐的，其中快速熔断器汇流排一端超出半导体元件汇流排相同方向的一端，半导体元件汇流排另一端超出快速熔断器汇流排相同方向的另一端或与快速熔断器汇流排相同方向的另一端对齐，两并行设置的汇流排之间间距在绝缘允许的条件下做到最小。

3.根据权利要求1所述的用于变流器的非同相逆并联水冷铝合金制均流桥臂结构，其特征在于：两根汇流排各有两个安装面，分别进行半导体元件和快速熔断器的安装，通过连接导体串联的半导体元件和快速熔断器之间的中心连线与两汇流排长边方向垂直，相邻的半导体元件和相邻的快速熔断器分别在各自汇流排上等间距沿一字排列，且半导体元件之间间距与快速熔断器之间间距相等，半导体元件之间间距与快速熔断器之间间距在安装和维护方便的条件下做到最小。

4.根据权利要求1所述的用于变流器的非同相逆并联水冷铝合金制均流桥臂结构，其特征在于：通过将连接导体中间成型为拱起的方式，以增加连接导体的长度，通过调整多个连接导体的不同拱起高度获得多个不同长度的连接导体，使不同长度的连接导体具有不同的电感。

5.根据权利要求1或4所述的用于变流器的非同相逆并联水冷铝合金制均流桥臂结构，其特征在于：所述连接导体为铝合金型材，或者是铝合金叠片，或者是不锈钢型材，或者是不锈钢叠片，或者是上述同种材料的型材和叠片的焊接体；当连接导体为铝合金或不锈钢型材时，根据均流的需要可调整连接导体的截面积以调整连接导体的电阻和电感；当连接导体为铝合金或不锈钢叠片时，根据均流的需要可调整叠片的层数以调整连接导体的电阻和电感；当连接导体为型材和叠片的焊接体时，根据均流的需要可综合运用上述两种手段调整连接导体的电阻和电感。

6.根据权利要求1所述的用于变流器的非同相逆并联水冷铝合金制均流桥臂结构，其特征在于：所述半导体元件为晶闸管或电力二极管。