CN112421978A - 一种电力电子变压器测试负载装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电力电子变压器测试负载装置，其技术方案包括柜体，所述柜体下部设有进风过滤组件，所述柜体内部安装有三组功率单元模块、两个交流滤波电抗器，六个交流滤波电容器，以及二次侧控制盘。所述三组功率单元模块位于上层安装平台，所述两个交流电抗器以及电容器位于底层，所述柜体前后门安装有辅助散热风扇，所述柜体上层安装平台安装有离心式散热风机，所述三组功率单元模块与风机之间设有进风口风道，所述出风口与功率单元模块之间设有出风口风道，各组所述功率单元模块均配置有用于增大散热面积的散热器，所述散热器伸入所述风道内。本发明具有功率密度大，模块集成度高，成本低，散热效率高的优点。

Description

一种电力电子变压器测试负载装置
技术领域
本发明属于电力电子变压器测试技术领域，具体涉及一种电力电子负载测试装置，。
背景技术
大功率电力电子设备如电力电子变压器相对于传统变压器具有智能可控、损耗低等特点，在研制大功率电力电子设备的过程中对大功率电源及大功率负载有较大需求，在长期满负载压力测试中，大功率电源及大功率负载是测试***的核心设备。以前的大功率负载是交流侧通过传统变压器由10kV电网降压至三相380v交流电，由此提供大功率设备所需的大电流，直流侧通过电阻柜耗能。其存在以下缺点：1)对电网冲击大；2)大功率电阻耗能严重；3)产生大量热，测试环境恶劣；4)控制精度低。由全控型电力电子器件IGBT构成的电力电子变压器测试负载装置，可彻底解决上述传统测试***存在的问题。
电力电子变压器测试负载装置是基于二极管钳位型三电平变流器也称为中性点钳位型(neutral point clamped,NPC)三电平换流器，其交流侧通过塑壳式断路器与电网相连，直流侧直接与电力电子变压器直流母线相连接，二次侧控制电源取自交流电网。工作过程中，电力电子变压器测试负载装置直流母线与电力电子变压器的直流母线并联，电力电子变压器测试负载装置交流侧输出端口直接与三相380V电网相连。电力电子变压器由10kV电网将交流电转变为750V直流电，电力电子变压器测试负载装置将750V直流电逆变为三相380V交流电，返回三相380V电网。通过设定电力电子变压器测试负载装置运行功率，从而作为测试负载长时间测试电力电子变压器散热及器件可靠性。
发明内容
为解决上述现有技术的不足或缺陷，本发明提供了一种高功率密度，高可靠性，低成本，高效散热的电力电子变压器测试负载装置。
为实现上述目的，本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
电力电子变压器测试负载装置，包括柜体(1)、进风过滤组件(4)、通风格栅组件(7)、顶部出风口(10)和槽钢底座(11)，其特征在于：所述柜体(1)内部包含三组功率单元模块(2)、三个散热风机(3)以及两个交流滤波电抗器(5)，其中，三组功率单元模块(2)位于上层安装平台，两个交流滤波电抗器(5)与柔性母排(13)串联，位于下层槽钢底座(11)上，三个散热风机安装在上层安装平台底部，柜体(1)顶部安装顶部出风口(10)，功率单元模块(2)与散热风机(3)之间有进风口风道(8)，功率单元模块(2)与顶部出风口(10)之间有出风口风道(9)，柜体(1)外部对应在散热风机(3)进风口位置安装有进风过滤组件(4)，各组所述功率单元模块均配置有用于增强散热面积的散热器(22)，所述散热器伸入隔离风道(23)内。
作为上述方案的进一步改进：所述散热风机(3)为涡轮离心风机，有前后进风口，顶部设有出风口。
作为上述方案的进一步改进：所述进风过滤组件(4)安装在柜体(1)的前后柜门上。
作为上述方案的进一步改进：所述进风过滤组件(4)安装在柜体(1)的前后柜门上。
作为上述方案的进一步改进：两个交流滤波电抗器(5)出风口位置设置有辅助散热风机(6)。
作为上述方案的进一步改进：所述功率单元模块(2)集成有IGBT模块(21)，散热器(22)，隔离风道(23)，母线电容(24)，其中，IGBT模块(21)和母线电容(24)通过叠层母排(25)连接，并通过叠层母排(25)上预留的输入输出端口与主回路连接，可以实现快速维修和更换。
作为上述方案的进一步改进：所述IGBT模块(21)与所述散热器(22)之间涂有均匀的导热硅脂(26)，并且IGBT模块通过十四颗螺丝紧密安装于散热器(22)基板上。
作为上述方案的进一步改进：散热器(22)为热管式散热器，包括基板(221)，三根重力热管(222)，散热翅片(223)，其中，重力热管(222)镶嵌安装于基板(221)上并对重力热管和基板进行抛光处理，散热翅片(223)为铲齿加工得到，安装在基板四周的其中一面。
作为上述方案的进一步改进：所述辅助散热风机(6)出风口设置有通风格栅组件(7)。
作为上述方案的进一步改进：所述槽钢底座(11)上设有延伸至所述柜体(1)顶部的柜体框架(12)，柜体(1)与柜体框架(12)及槽钢底座(11)整体焊接成型。
作为上述方案的进一步改进：所述柔性母排(13)穿过底座(11)上预留的安装槽。
作为上述方案的进一步改进:所述槽钢底座(11)包括两对横向槽钢(111)、两对竖向槽钢(113)、两根第一电抗器槽钢(114)和两根第二电抗器槽钢(115)，其中，横向槽钢(111)设置有叉车孔，竖向槽钢(113)横穿前后，第一、第二电抗器槽钢(114)、(115)设置有电抗器安装螺纹孔，前后面设置有柔性母排(13)安装方孔。
作为上述方案的进一步改进：所述功率单元模块(2)的直流侧设有端口铜排，通过螺栓与直流母线连接，所述功率单元模块(2)的交流侧设有交流端口，通过跨接铜排连接至交流接触器后通过铜排连接至交流滤波单元。
作为上述方案的进一步改进：所述铜排均设计为一头腰孔一头圆孔，圆孔端设置压铆螺母，铜排的搭接面设有压制花纹，两铜排搭接处通过螺栓固定，螺栓穿过第一铜排腰孔后与第二铜排背面铆接螺母连接固定
本发明的有益技术效果：
1.将发热量大的主要器件分开布置，交流滤波回路的两个电抗器较重，放置于柜底，三个功率单元组件体积较大放置于上层，各功率单元组件均配置散热器用于强制风冷散热，提高散热能力，同时在柜门设置进出风过滤组件，辅助功率模组散热风扇抽风以及加强电抗器散热。
2.整机结构紧凑，功率密度大，可靠性更高，通过实际样机测试，可以非常好的满足设计要求。
附图说明
图1是本发明电力电子变压器测试负载装置的器件布局示意图。
图2是本发明电力电子变压器测试负载装置的立体结构示意图。
图3是本发明电力电子变压器测试负载装置的底座结构示意图。
图4是本发明电力电子变压器测试负载装置的功率单元模块结构示意图。
图5是本发明电力电子变压器测试负载装置的散热器结构示意图。
图中各标号表示：1、柜体；2、功率单元组件；3、离心风机；4、进风过滤组件；5、滤波电抗器；6、辅助散热风扇；7、出风过滤组件；8、进风口风道；9、出风口风道；10、顶部出风口；11，底座；111，横向槽钢；112中间隔板；113，竖向槽钢；114，第一电抗器槽钢；115，第二电抗器槽钢；21,IGBT模块；22，散热器；221，基板；222，重力热管；223，散热翅片；23，隔离风道；24，母线电容；25，叠层母排；26，导热硅脂；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明。
如图1所示，一种电力电子变压器测试负载装置，包括柜体(1)、进风过滤组件(4)、通风格栅组件(7)、顶部出风口(10)和槽钢底座(11)。
如图2所示，柜体(1)内部包含三组功率单元模块(2)、三个散热风机(3)以及两个交流滤波电抗器(5)，作为优选的技术方案，三组功率单元模块(2)通过螺栓固定安装在上层安装平台上；两个两个交流滤波电抗器(5)通过螺栓固安装在柜体槽钢底座(11)上，与柔性母排(13)串联；三个散热风机(3)安装在上层安装平台底部。柜体(1)顶部安装顶部出风口(10)，功率单元模块(2)与散热风机(3)之间有进风口风道(8)，功率单元模块(2)与顶部出风口(10)之间有出风口风道(9)，柜体(1)外部对应在散热风机(3)进风口位置安装有进风过滤组件(4)，各组功率单元模块(2)均配置有用于增强散热面积的散热器(22)，散热器伸入隔离风道(23)内。各输入输出端口通过铜排作为导电通道，实现大电流运行。
如图3所示，槽钢底座(11)包括两对横向槽钢(111)、两对竖向槽钢(113)、两根第一电抗器槽钢(114)和两根第二电抗器槽钢(115)，其中，横向槽钢(111)设置有叉车孔，竖向槽钢(113)横穿前后，第一、第二电抗器槽钢(114)、(115)设置有电抗器安装螺纹孔，前后面设置有柔性母排(13)安装方孔。
如图4所示，电力电子变压器测试负载装置也采用风冷散热结构，柜体(1)内部空间分为上下两部分，上下层互相贯通，通过三组功率单元模块(2)的进风口处散热风机(3)带动整个柜体内部空气流动，实现整机的强制风冷散热。上层平台主要是三组功率单元模块散热风机(3)，每组功率单元模块包括三个IGBT模块(21)，一个重力热管型的铲齿散热器(22)及其他电气连接件，单个功率单元模块损耗为3847W。三组功率单元模块(2)共包括9个IGBT模块(21)，共计11.54kW总损耗。下层空间主要包括交流滤波电抗器(5)，单个交流滤波电抗器损耗约为1147W。由此可知，整个柜体(1)内部空间十分紧凑，柜体内发热元件多，总损耗大，功率密度大。为此，作为优选的技术方案，本发明中的散热风机(3)采用三个涡轮离心风机，每组功率单元模块(2)设置有一台散热风机(3)。冷风由柜体(1)进风口过滤组件(4)进入，通过进风过滤组件(4)过滤后进入进风口风道(8)，通过功率单元模块(2)配置的散热器(22)后由出风口风道(9)排出柜体。同时在交流滤波电抗器(5)附近柜门设计辅助散热风机(6)抽风，将热风提前抽离柜体，避免热风进入柜体上层空间。该种大功率双向变流器柜的优势在于结构紧凑，送风量大，通过分散热源，有效的降低了器件温升，使得各个器件均能满足散热要求。
如图5所示，三组功率单元模块(2)的主要发热元件为IGBT模块(21)，单个功率单元模组(2)的发热量高达3847W，因此需要优先保证IGBT模块(21)散热，基于此考虑，无法采用自然分冷的方式实现设计要求，只能选择强制风冷散热方案。本发明的重力热管型散热器(22)主要包括三部分，分别为基板(221)，三根重力热管(222)以及若干铲齿型散热翅片(223)。首先在基板(221)的基础上通过铲齿工艺加工出散热翅片，后在基板(221)背面开槽，重力热管(222)则内嵌于基板(221)背槽内，通过焊接的方式与基板(221)连接。IGBT模块(21)固定在基板(221)上，负载装置工作时IGBT产生损耗发热，通过热传导的方式将热量传递至基板(221)，基板上的热量通过重力热管(222)相变作用均匀分布至整个散热器基板(221)，基板(221)再将热量传至散热翅片(223)。散热翅片(223)由于厚度薄，表面积大，再功率单元模块(2)风道内通过对流换热的方式将热量排至柜体(1)外。
上述实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可做出各种变换和变化以得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应归入本发明的专利保护范围。

Claims (13)

1.一种电力电子变压器测试负载装置，包括柜体(1)、进风过滤组件(4)、通风格栅组件(7)、顶部出风口(10)和槽钢底座(11)，其特征在于：所述柜体(1)内部包含三组功率单元模块(2)、三个散热风机(3)以及两个交流滤波电抗器(5)，其中，三组功率单元模块(2)位于上层安装平台，两个交流滤波电抗器(5)与柔性母排(13)串联，位于下层槽钢底座(11)上，三个散热风机(3)安装在上层安装平台底部，柜体(1)顶部安装顶部出风口(10)，功率单元模块(2)与散热风机(3)之间有进风口风道(8)，功率单元模块(2)与顶部出风口(10)之间有出风口风道(9)，柜体(1)外部对应在散热风机(3)进风口位置安装有进风过滤组件(4)，各组功率单元模块(2)均配置有用于增强散热面积的散热器(22)，散热器(22)伸入隔离风道(23)内。
2.根据权利要求1所述的一种电力电子变压器测试负载装置，其特征在于，所述散热风机(3)为涡轮离心风机，有前后进风口，顶部设有出风口。
3.根据权利要求1所述的一种电力电子变压器测试负载装置，其特征在于，所述进风过滤组件(4)安装在柜体(1)的前后柜门上。
4.根据权利要求1所述的一种电力电子变压器测试负载装置，其特征在于，两个交流滤波电抗器(5)出风口位置设置有辅助散热风机(6)。
5.根据权利要求1所述的一种电力电子变压器测试负载装置，其特征在于，：所述功率单元模块(2)集成有IGBT模块(21)，散热器(22)，隔离风道(23)，母线电容(24)，其中，IGBT模块(21)和母线电容(24)通过叠层母排(25)连接，并通过叠层母排(25)上预留的输入输出端口与主回路连接，可以实现快速维修和更换。
6.根据权利要求5所述的一种电力电子变压器测试负载装置，其特征在于：所述IGBT模块(21)与所述散热器(22)之间涂有均匀的导热硅脂(26)，并且IGBT模块通过十四颗螺丝紧密安装于散热器(22)基板上。
7.根据权利要求6所述的一种电力电子变压器测试负载装置，其特征在于，所述散热器(22)为热管式散热器，包括基板(221)，三根重力热管(222)，散热翅片(223)，其中，重力热管(222)镶嵌安装于基板(221)上并对重力热管和基板进行抛光处理，散热翅片(223)为铲齿加工得到，安装在基板四周的其中一面。
8.根据权利要求4所述的一种电力电子变压器测试负载装置，其特征在于，所述辅助散热风机(6)出风口设置有通风格栅组件(7)。
9.根据权利要求1所述的一种电力电子变压器测试负载装置，其特征在于，所述槽钢底座(11)上设有延伸至所述柜体(1)顶部的柜体框架(12)，柜体(1)与柜体框架(12)及槽钢底座(11)整体焊接成型。
10.根据权利要求1所述的一种电力电子变压器测试负载装置，其特征在于，所述柔性母排(13)穿过底座(11)上预留的安装槽。
11.根据权利要求9所述的一种电力电子变压器测试负载装置，其特征在于，所述槽钢底座(11)包括两对横向槽钢(111)、两对竖向槽钢(113)、两根第一电抗器槽钢(114)和两根第二电抗器槽钢(115)，其中，横向槽钢(111)设置有叉车孔，竖向槽钢(113)横穿前后，第一、第二电抗器槽钢(114)、(115)设置有电抗器安装螺纹孔，前后面设置有柔性母排(13)安装方孔。
12.根据权利要求5所述的一种电力电子变压器测试负载装置，其特征在于，所述功率单元模块(2)的直流侧设有铜排端口，通过螺栓与直流母线连接，功率单元模块(2)的交流侧设有铜排端口，通过跨接铜排连接至交流接触器后通过跨接铜排连接至交流滤波单元。
13.根据权利要求11所述的一种电力电子变压器测试负载装置，其特征在于，铜排均设计为一头腰孔一头圆孔，圆孔端设置压铆螺母，铜排的搭接面设有压制花纹，两铜排搭接处通过螺栓固定，螺栓穿过第一铜排腰孔后与第二铜排背面铆接螺母连接固定。
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