CN204859007U - 一种新型牵引逆变功率单元 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及地铁牵引***，具体为一种新型牵引逆变功率单元。解决了目前牵引逆变功率单元结构复杂，电气机械附件增多，可靠性降低；不利于维护等技术问题。本实用新型设计的功率单元电路由3相逆变器电路组成。主要功能是在***控制单元控制下，把电网输入的750V直流电逆变为三相交流电，进而控制牵引电机实现地铁牵引功能。包含IGBT器件、驱动板、配置板、复合母排、支撑框架、高效热管散热器、电流传感器等。功率单元设有过热保护功能，采用安装在散热器表面的热敏电阻进行温度检测；功率单元结构上采用层叠式安装，正负母排采用一块低感叠层复合母排进行连接；电流传感器检测3相逆变器交流输出电流；驱动板布置在模块外侧，调试更换方便。

Description

一种新型牵引逆变功率单元

技术领域

本实用新型涉及地铁牵引***，具体为一种新型牵引逆变功率单元。

背景技术

地铁牵引***的主要功能是从直流电网取电，经过牵引逆变装置逆变后,为列车牵引电机供电，驱动地铁车辆运行。牵引逆变功率单元是牵引逆变装置的功率变换部分。地铁牵引***是地铁车辆的核心,是地铁车辆的动力源泉，由于地铁站与站之间运行时间仅有几分钟，这就要求整个地铁牵引***动态响应要迅速、起停要快，并且要求平稳，这就对牵引***技术提出了更高要求。随着人们生活水平的提高，出行时会优先选择安全、快捷、绿色环保的出行工具，对于大都市人们来说，地铁是出行的最佳选择，这就要求现有的地铁运行间隔更短，承载客人更多，使得单位面积上的功率密度增大，这就要求一方面增大牵引功率，另一方面又要求压缩牵引***所占的空间。

现有技术一的技术方案：

现有地铁车辆的牵引逆变功率单元，有的主电路正负母排采用普通铜板、铜排或电缆连接，而且为降低IGBT关断电压，不得不设置有复杂的吸收电路。

现有技术一的缺点：

（1）导致功率单元结构复杂，电气机械附件增多，可靠性降低；

（2）出现故障时，不利于维护和更换；采用普通铜板、铜排或电缆连接，要求的电气间隙大，占据空间，导致功率密度降低。

现有技术二的技术方案：

现有的牵引逆变功率单元散热器采用传统铝制翅片散热器，或传统热管散热器，靠走行风强迫冷却。

现有技术二的缺点：

这种散热器散热效果较差，散热器尺寸大，不利于功率单元整体尺寸小型化。

现有技术三的技术方案：

现有的牵引逆变功率单元交流输出母排不设置用于检测电流的电流传感器，而是设置在变流装置中。

现有技术三的缺点：

功率单元交流输出母排需要延伸到变流装置中，再安装电流传感器，增加了输出回路长度，同时增加了母排电能消耗以及成本。

发明内容

本实用新型为解决目前牵引逆变功率单元结构复杂，电气机械附件增多，可靠性降低；出现故障时，不利于维护和更换等技术问题，提供一种新型牵引逆变功率单元。

本实用新型是采用以下技术方案实现的：一种新型牵引逆变功率单元，包括一个支撑框架，支撑框架上安装有热管散热器；热管散热器表面安装牵引逆变主电路组件；所述牵引逆变主电路组件包含共同构成标准的三相逆变器主电路开关的6个IGBT器件U1、V1、W1、U2、V2、W2和3个温度检测热敏电阻THU、THV、THW，每个IGBT器件的侧边辅助端子上均安装一块配置板；6个IGBT器件上面共同覆盖固定有正、负叠层复合母排，正、负叠层复合母排上方固定三个三相交流复合母排以及分别连接在三个三相交流复合母排上的三个绝缘母排，三个绝缘母排上分别固定有一个电流传感器，三个电流传感器分别为CTU1、CTV1、CTW1；所述正、负叠层复合母排上设有三组正负端子；三相逆变器主电路U、V、W三个交流输出端子分别与正、负叠层复合母排的三组正负端子相邻并固定在支撑框架上；支撑框架上固定有分别用于安装正、负叠层复合母排正负端子及三相逆变器主电路U、V、W交流输出端子的支撑绝缘子；

新型牵引逆变功率单元最上层为驱动板组件，包括一个安装在支撑框架上的驱动板支撑板以及安装在驱动板支撑板外侧面上的3块驱动板、1块电源转换板以及低压连接器；

一个桥臂的两个IGBT器件配备一块驱动板，每个IGBT器件配备一块配置板；所述CTU1、CTV1、CTW1三个电流传感器分别接在三相逆变器主电路的U、V、W交流输出端子上。

本实用新型从功率单元实际应用需求出发，对目前技术缺点进行改进，采用高度集成的模块化结构，将高效热管散热器、IGBT器件、驱动保护电路、低感叠层复合母排、交流输出电流传感器、绝缘母排等部件按功能整合在一起，解决了以下方面问题：

（1）主电路正负母排采用低感叠层复合母排，减小了母排之间、母排与框架之间的电气间隙以及吸收电路附件，缩小了功率单元的体积，并增加了可靠性；

（2）整个功率单元采用层叠结构设计，将驱动板统一安装在模块外侧，更换维护方便；

（3）三个交流输出电流传感器集成在功率单元中，缩短输出回路长度；

（4）采用高效热管散热器，提高散热效率，缩小散热器体积，继而缩小整个功率单元体积；

本实用新型的电路结构及功能原理：

本实用新型设计的功率单元电路由3相逆变器电路组成。主要功能是在***控制单元控制下，把电网输入的750V直流电逆变为三相交流电，进而控制牵引电机实现地铁牵引功能。包含IGBT器件、驱动板、配置板、复合母排、支撑框架、高效热管散热器、电流传感器等。功率单元设有过热保护功能，采用安装在散热器表面的热敏电阻进行温度检测；功率单元结构上采用层叠式安装，正负母排采用一块低感叠层复合母排进行连接；电流传感器检测3相逆变器交流输出电流；驱动（电路）板布置在模块外侧，调试更换方便。功率单元主电路原理图见图1。

各部件以及电路功能说明如下：

1）U1-W2为IGBT器件，共同构成标准的三相逆变器主电路开关；

2）一个桥臂的两个IGBT配备一块驱动板，每个IGBT器件配备一块配置板。所有驱动板由电源转换板提供电源，驱动板接收来自牵引变流装置控制单元的控制信号，并将信号变换、隔离后，传输到配置板；配置板设置有IGBT门极保护电路、门极开通、关断电阻、集电极-发射极电压V_CE检测电路等，并生成门极驱动信号，该信号控制U1-W2的IGBT按照一定的规律开通、关断，实现功率单元的逆变功能；

3）CTU1、CTV1、CTW1为电流传感器，负责检测三相逆变器输出电流，并反馈给控制单元进行过流控制；

4）THU、THV、THW为热敏电阻，用来检测散热器表面温度。三相逆变器每相设置一个，当散热器表面温度超过设定值时，功率单元停止工作，保护IGBT不因过热而损坏；温度下降时，功率单元自动恢复工作；

5）P、N为电网输入750V直流电压正、负输入端子；U、V、W为三相逆变器交流输出端子。

本发明结构特点：

1)层叠式模块化设计

由于各部件对散热要求不同，本功率单元中将发热量大的开关器件IGBT紧贴热管散热器内表面安装，IGBT侧边辅助端子上安装配置板，IGBT上面覆盖正、负叠层复合母排。然后是三相交流复合母排和绝缘母排，通过各相电流传感器，输出到模块支撑框架的支撑绝缘子上。驱动板等部件在上层安装，这样既实现了电气连接，又有利于散热和层叠结构的实现。功率单元依靠四根紧固螺栓安装在变流柜上，安装拆卸方便；

2)电流传感器集成化设计

本实用新型将三个交流输出电流传感器集成在功率单元内，增加了输出回路长度，同时降低了母排电能消耗以及成本。

本实用新型技术方案带来的有益效果：

1）采用复合母排主电路电气技术，降低了主电路回路的杂散电感，提高主电路的可靠性，完全避免线缆在狭窄的空间绕行的困难，且结构紧凑，减小了体积，降低了设计成本；

2）层叠式模块化设计可以缩小整个功率单元的体积，节省空间，提高维修效率，进而提高地铁列车的利用率，节省运营成本。

附图说明

图1本实用新型所述功率单元的电路原理图。

图2本实用新型的整体结构示意图。

图3本实用新型去掉驱动板组建后的整体结构示意图。

图4本实用新型去掉母排及电流传感器后的整体结构示意图。

图5正、负叠压复合母排结构示意图。

图6三相交流复合母排结构示意图。

图7绝缘母排和电流传感器安装结构。

1-支撑框架，2-热管散热器，3-配置板，4-正、负叠层复合母排，5-三相交流复合母排，6-绝缘母排，7-支撑绝缘子，8-驱动板支撑板，9-驱动板，10-电源转换板，11-低压连接器。

具体实施方式

一种新型牵引逆变功率单元，包括一个支撑框架1，支撑框架1上安装有热管散热器2；热管散热器2表面安装牵引逆变主电路组件；所述牵引逆变主电路组件包含共同构成标准的三相逆变器主电路开关的6个IGBT器件U1、V1、W1、U2、V2、W2和3个温度检测热敏电阻THU、THV、THW，每个IGBT器件的侧边辅助端子上均安装一块配置板3；6个IGBT器件上面共同覆盖固定有正、负叠层复合母排4，正、负叠层复合母排4上方固定三个三相交流复合母排5以及分别连接在三个三相交流复合母排上的三个绝缘母排6，三个绝缘母排6上分别固定有一个电流传感器，三个电流传感器分别为CTU1、CTV1、CTW1；所述正、负叠层复合母排4上设有三组正负端子；三相逆变器主电路U、V、W三个交流输出端子分别与正、负叠层复合母排4的三组正负端子相邻并固定在支撑框架1上；支撑框架1上固定有分别用于安装正、负叠层复合母排4正负端子及三相逆变器主电路U、V、W交流输出端子的支撑绝缘子7；

新型牵引逆变功率单元最上层为驱动板组件，包括一个安装在支撑框架1上的驱动板支撑板8以及安装在驱动板支撑板8外侧面上的3块驱动板9、1块电源转换板10以及低压连接器11；

一个桥臂的两个IGBT器件配备一块驱动板9，每个IGBT器件配备一块配置板3；所述CTU1、CTV1、CTW1三个电流传感器分别接在三相逆变器主电路的U、V、W交流输出端子上。

所述热管散热器2由上下两段组成，热管散热器2采用多根L型热管，每根热管的一端直接嵌入散热基板内部，另一端由散热基板内部伸出后和热管散热器2的散热翅片相连。

所述支撑框架1竖直放置，开口的法线沿水平方向；所述热管散热器2安装在支撑框架1的框架边上。

如图2所示：新型牵引逆变功率单元以支撑框架1为基础，首先安装有高效的热管散热器2，热管散热器采用多根L型热管，与传统热管不同，每根热管的一端不是直接焊接在散热基板表面，而是直接嵌入散热基板内部，另一端伸出，和散热翅片相连，由于热管散热器质量较重，为便于组装和运输，设计采用上下两段结构，两段散热器在生产制造和运输时都是各自独立的，在功率模块组装时才通过框架将它们拼在一起。散热器表面安装牵引逆变主电路组件，包含6个IGBT器件U1-W2，3个温度检测热敏电阻THU、THV、THW（分别紧邻U1、V1、W1三个IGBT器件的配置板安装），支撑绝缘子和线架若干；IGBT侧边辅助端子上安装配置板，每个IGBT安装一块；

IGBT上面覆盖正、负叠层复合母排（图5），考虑该母排端子承受的电流密度，将正、负端子分为三组，并联使用；然后是三相交流复合母排（图6），以及与之连接的绝缘母排，通过各相电流传感器（图3），将逆变后的交流电压输出到模块支撑框架的支撑绝缘子上。

功率单元最上层为驱动板组件，3块驱动板和1块电源转换板、低压连接器、线架等安装在驱动板支撑板上。驱动板与牵引逆变装置控制单元采用光纤连接，电源转换板输入、热敏电阻测量信号输出、电流传感器电源输入以及测量信号输出全部通过低压连接器与牵引逆变装置相连。功率单元支撑框架四周有四个安装孔，通过四根紧固螺栓安装在变流柜上，安装拆卸方便。低压连接器与牵引逆变装置相连，为电源转换板和三个电流传感器提供电源信号，同时将三个热敏电阻和三个电流传感器的测量信号输出到牵引逆变装置控制单元。

Claims (3)

1.一种新型牵引逆变功率单元，其特征在于，包括一个支撑框架（1），支撑框架（1）上安装有热管散热器（2）；热管散热器（2）表面安装牵引逆变主电路组件；所述牵引逆变主电路组件包含共同构成标准的三相逆变器主电路开关的6个IGBT器件U1、V1、W1、U2、V2、W2和3个温度检测热敏电阻THU、THV、THW，每个IGBT器件的侧边辅助端子上均安装一块配置板（3）；6个IGBT器件上面共同覆盖固定有正、负叠层复合母排（4），正、负叠层复合母排（4）上方固定三个三相交流复合母排（5）以及分别连接在三个三相交流复合母排（5）上的三个绝缘母排（6），三个绝缘母排（6）上分别固定有一个电流传感器，三个电流传感器分别为CTU1、CTV1、CTW1；所述正、负叠层复合母排（4）上设有三组正负端子；三相逆变器主电路U、V、W三个交流输出端子分别与正、负叠层复合母排（4）的三组正负端子相邻并固定在支撑框架（1）上；支撑框架（1）上固定有分别用于安装正、负叠层复合母排（4）正负端子及三相逆变器主电路U、V、W交流输出端子的支撑绝缘子（7）；

新型牵引逆变功率单元最上层为驱动板组件，包括一个安装在支撑框架（1）上的驱动板支撑板（8）以及安装在驱动板支撑板（8）外侧面上的3块驱动板（9）、1块电源转换板（10）以及低压连接器（11）；

一个桥臂的两个IGBT器件配备一块驱动板（9），每个IGBT器件配备一块配置板（3）；所述CTU1、CTV1、CTW1三个电流传感器分别接在三相逆变器主电路的U、V、W交流输出端子上。

2.如权利要求1所述的一种新型牵引逆变功率单元，其特征在于，所述热管散热器（2）由上下两段组成，热管散热器（2）采用多根L型热管，每根热管的一端直接嵌入散热基板内部，另一端由散热基板内部伸出后和热管散热器（2）的散热翅片相连。

3.如权利要求1或2所述的一种新型牵引逆变功率单元，其特征在于，所述支撑框架（1）竖直放置，开口的法线沿水平方向；所述热管散热器（2）安装在支撑框架（1）的框架边上。