CN103532348A - 一种大功率半导体变流器功能单元柜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率半导体变流器功能单元柜，其包括由顶架和底架构成的框架，在所述顶架和所述底架之间设有多个隔档，相邻两个隔档之间依次安装逆变单元、第一控制单元、斩波单元、第二控制单元、整流单元。通过功能单元的有效分离和组合，完成不同需求的变频器***需求，同时以打包的方式进行运输和安装，保证***的完整性，在某块出现故障时又可以隔离和替换的方式更换各个功能单元，有效的解决了变频器***如何布局的问题。同时因为对称结构的布局方式，电路的能量流更加合理，有效的提高了变流器的输出能力。

Description

一种大功率半导体变流器功能单元柜

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体而言，涉及一种大功率半导体器件变流器功能单元柜。

背景技术

随着现代电力电子技术及计算机控制技术的迅速发展，交流调速逐步取代了直流调速，特别是近些年来，随着半导体器件技术的迅速发展，尤其是以绝缘栅双极晶体管（IGBT）、电子注入增强门极晶体管（IEGT）、门控晶闸管（GTO）、集成门极换向晶闸管（IGCT）为代表的大功率全控器件得到急速发展，由它们构成的中高压变频器***，性能优异，可以实现PWM逆变和PWM整流，不仅具有谐波小，功率因数也有很大程度的提高。其中，IGCT是一种高效率、高可靠性的新型电力半导体器件，在现代中高压变频器***中应用最多。目前市场上出现的多数IGCT中高压功率柜主要应用于中高压变频器，有效的实现了电机调速，在节能环保方面取得了非常显著的效果。

目前市场上出现的基于三电平电路的变频器***多数由若干个功率单元构成，一般分为控制单元、整流单元、逆变单元、斩波单元、冷却单元、终端单元（可选）等基本单元。由于IGCT器件应用要求比较苛刻，在整个***如何有效分配多个单元的组合上，出现了很多方案，多数为单体式结构或者一体式结构，但这两种结构明显存在着多种弊端。

单体式结构柜仅包含IGCT功率模块及与之关联的主电路连线，这种结构虽然能将功率柜做到最小尺寸，但是在实际应用中不仅装配麻烦而且***可靠性也将面临很大的风险，因为控制部分与功率柜分开，在应用中需要在现场对所有控制线缆和光纤进行连接，大量的线缆连接不仅费时费力，极大降低装配效率，而且接线一旦错误，往往会损害变流器；同时若将大量信号电缆分为2部分连接，也会大大降低控制线缆对电磁的抗干扰能力，以至在极端情况下干扰信号会造成***误报故障而导致停机。

一体式结构的功率柜是将整流、逆变和控制三部分集成在一个柜体之内，由于采用了不可拆卸的整体结构方案，体积和重量都非常庞大，运输、吊装和安装都非常困难，同时这种结构的功率柜仅能实现单个电机的单传动应用，无法满足目前工业领域中常用的多传动、冗余传动及双重化传动等应用需求。因此，如何实现整个功率***的有效组合分配，方便整个***的运输、安装和检修成了目前IGCT三电平功率柜应用的首要难题，对此国内外均没有很好的解决方案。

在IGCT器件组成的三电平电路的变频器***中，对各个功能单元组合上应用较多的两种组合方式相比较：一种是功能单元完全整合成一个柜体，这样组成的***非常庞大，运输和安装困难，而且出现故障时不容易实现故障的排除和隔离；另一种是功能单元完全分离，这样分配组合虽然解决了单个单元柜体积变小运输比较方便，但是在现场安装时，因为功能单元的分离，接线比较繁琐，而且容易出错，给调试带来麻烦。

因此，在***功能单元的分配整合上，一个亟待解决的问题是需要提供一种通用的变频器***布局设计，使得其既可以满足运输和维护的方便性又能保证***安装的简易性。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种大功率半导体变流器功能单元柜，其包括由顶架和底架构成的框架，在所述顶架和所述底架之间设有多个隔档，相邻两个隔档之间依次对称地安装逆变单元、第一控制单元、斩波单元、第二控制单元、整流单元，其中各个单元之间相关的线路在安装之前进行适配连接后整体打包配置以免去使用时需要的二次调试。

根据本发明的变流器功能单元柜，其还包括输入滤波单元，所述输入滤波单元固定安装在所述整流单元一侧，用于对进入所述功能单元柜的交流信号进行滤波。

根据本发明的变流器功能单元柜，其还包括输出滤波单元，所述输出滤波单元固定安装在所述逆变单元一侧，用于对所述功能单元柜输出的交流信号进行滤波。

根据本发明的变流器功能单元柜，其还包括水冷单元，所述水冷单元设在所述输出滤波单元或者所述输入滤波单元一侧，用于消散所述功能单元柜中的各个单元工作时产生的热量。

根据本发明的变流器功能单元柜，所述功能单元柜中的功率器件为整流管、晶闸管、IGBT、IEGT或IGCT中的任意组合。

根据本发明的变流器功能单元柜，为满足容量的需求，所述整流单元为两个，所述逆变单元为两个，斩波单元为一个。

本发明正是设计一种有效的基于IGCT器件的三电平变频器***布局，通过功能单元的有效分离和组合，完成不同需求的变频器***需求，同时以打包的方式进行运输和安装，保证***的完整性，在某块出现故障时又可以隔离和替换的方式更换各个功能单元，有效的解决了变频器***如何布局的问题。

同时因为对称结构的布局方式，电路的能量流更加合理，有效的提高了变流器的输出能力

本发明带来了以下有益效果：

1、以对称性的电路原理作为布局基础，电路能量流更加合理，极大的提高了***输出能力和稳定性；

2、一体式结构方便运输和现场调试，降低因二次接线调试带来的风险；

3、左右两侧的冷却单元和输入、输出的可选布局，可根据现场的需求，最大可能满足客户需求；

4、可扩容式的结构，保证了***的系列化产品丰富多样，可满足不同客户的需求。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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的附图做简单的介绍：

图1显示了典型的交直交高压变频器的主电路图；

图2显示了根据本发明的实施例的大功率半导体变流器功能单元柜布局示意图。

具体实施方式

以下将结合附图来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明各实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

如图1所示，其中显示了典型的交直交高压变频器的主电路图。按照具体的电路用途，可将交直交高压变频器分为滤波、整流、斩波、逆变四个功能。其中滤波功能根据需要进行选配，一般需要在输入和输出侧都加。典型的配置如下，通常在三电平电路中选用四象限整流的方式，整流和逆变的电路拓扑完全一致。因此可根据电路能量流的方式进行功能单元分块的方式进行变频器***功能单元柜的设计。鉴于此，将功能单元柜共划分为输入滤波单元、整流单元、斩波单元、逆变单元、输出滤波单元。因为交直交高压变频器电路的对称性，左侧作为输入和右侧作为输入均可。因此，本发明保护的是一种对称性的布局方案，不拘限于左侧做为输入或者输出。

具体布局如图2所示。在图2中，显示了一种大功率半导体变流器功能单元柜，其包括由顶架和底架构成的框架。在顶架和底架之间设有多个隔档，相邻两个隔档之间依次对称地安装逆变单元、第一控制单元、斩波单元、第二控制单元、整流单元。

根据本发明的一体式结构，各单元电路连接不被打短和转接，从电磁兼容角度考虑不易引入干扰，特别是针对大功率的应用此优点更为明显。

在一个实施例中，功能单元柜还可包括输入滤波单元，输入滤波单元固定安装在整流单元一侧，用于对进入功能单元柜的交流信号进行滤波。

在一个实施例中，功能单元柜还包括输出滤波单元，输出滤波单元固定安装在逆变单元一侧，用于对功能单元柜输出的交流信号进行滤波。

在一个实施例中，功能单元柜还包括水冷单元，冷单元设在所述输出滤波单元或者所述输入滤波单元一侧，用于消散所述功能单元柜中的各个单元工作时产生的热量。因为，一般IGCT高压变频器采用水冷的方式进行冷却散热，因此若该布局配置冷却单元的话，可采用左侧作为冷却单元布局或者右侧作为冷却单元布局的方式，水冷单元作为单独部分，在现场应用中直接根绝功率等级的不同进行选配。注意水冷单元作为选配件，若采用风冷不需要单独选配。

将水冷单元集成到本功率柜中，避免了二次电路调试和冷却***重新连接和保压的操作过程，从而减小了泄露冷却液的风险。

根据本发明，变流器功能单元柜中的功率器件可以为整流管、晶闸管、IGBT、IEGT或IGCT中的任意组合。

根据本发明的变流器功能单元柜，为满足扩容的需要，可将整流单元布置为两个，逆变单元布置两个，斩波单元布置为一个。但本发明不限于此，只要能够满足容量要求，并且对称布置均不影响本发明的实现。本发明整体布局、单元独立分布的方式便于***扩容和组合，子单元可采用标准单元，减少重复开发的工作量。

该***在电路原理的基础上进行对称性布局设计，功能单元作为一体结构，保证电路连接的安全可靠，运输至现场后不需要在进行复杂的内部接线连接，极大的提高了效率和***因为接线错误产生的故障，保证***调试的稳定性和连贯性。出厂调试完成后，在现场不需要重新二次调试。而采用传统各个单元打散现场组装的方式的话，需要进行二次调试，增加工程工作量。

因此，采用本发明的功率柜，方便采用整体包装运输，减少了因安装误差无法满足电路和管路的连接，降低安装要求，提高安装效率。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种大功率半导体变流器功能单元柜，其特征在于，包括：

由顶架和底架构成的框架，在所述顶架和所述底架之间设有多个隔档，相邻两个隔档之间依次对称地安装若干逆变单元、第一控制单元、若干斩波单元、第二控制单元、若干整流单元，以利能量合理流动，其中各个单元之间相关的线路在安装之前进行适配连接后整体打包配置以免去使用时需要的二次调试。

2.如权利要求1所述的变流器功能单元柜，其特征在于，所述单元柜还包括输入滤波单元，所述输入滤波单元固定安装在所述整流单元一侧，用于对进入所述功能单元柜的交流信号进行滤波。

3.如权利要求1所述的变流器功能单元柜，其特征在于，还包括输出滤波单元，所述输出滤波单元固定安装在所述逆变单元一侧，用于对所述功能单元柜输出的交流信号进行滤波。

4.如权利要求1所述的变流器功能单元柜，其特征在于，还包括水冷单元，所述水冷单元设在所述输出滤波单元或者所述输入滤波单元一侧，用于消散所述功能单元柜中的各个单元工作时产生的热量。

5.如权利要求1-4中任一项所述的变流器功能单元柜，其特征在于，所述功能单元柜中的功率器件为整流管、晶闸管、IGBT、IEGT或IGCT中的任意组合。

6.如权利要求1-4中任一项所述的变流器功能单元柜，其特征在于，所述整流单元为两个或两个以上，所述逆变单元为两个或两个以上，斩波单元为一个。

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