專利名稱：高壓功率變換器及其機柜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及功率變換器及其機柜，更具體地說，涉及應(yīng)用于礦山行業(yè)的高壓功率變換器及其機柜。
背景技術(shù)：
電力驅(qū)動系統(tǒng)通常包括如電動機一樣的用電設(shè)備和對輸入交流電壓進行功率變換的功率變換器；例如，將電網(wǎng)的交流電變換為電動機可用的交流電。功率變換器通常包括相變換器單元，其為每相產(chǎn)生可變交流電壓。例如，相變換器單元包括將交流電壓變換為直流電壓的整流模塊、與整流模塊連接的直流環(huán)節(jié)、以及將直流環(huán)節(jié)的直流電壓逆變?yōu)榻涣麟妷旱南嗄K或逆變模塊。通常，交流輸出電壓包括三相，依此功率變換器通常包括三相整流模塊、三相相模塊和直流環(huán)節(jié)。整流模塊、直流環(huán)節(jié)、逆變模塊等包括以下一些部件或其中的某些部件重量大、密度大的器件，如電抗器、變壓器；半導(dǎo)體器件，或者組合成的模塊；控制器件，如電路板、繼電器等，考慮EMC因素安裝在特定柜體；其他器件，如電纜等無源器件；某些特殊應(yīng)用下的水冷系統(tǒng)。電壓源型高壓功率變換器，電壓范圍3300V到4160V，功率范圍2000kW到5000kW?？紤]到實際應(yīng)用，現(xiàn)有的礦井用高壓功率變換器至少存在如下技術(shù)問題中的一項功率變換器需要根據(jù)客戶訂制，比如滿足礦井標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)境條件，應(yīng)用，運輸，安裝和維修；惡劣礦井環(huán)境下的可靠性較差；電壓等級高，部件的體積較大；因為工藝高質(zhì)量、重復(fù)性高，整機質(zhì)量高的要求，組裝比較復(fù)雜；無模塊化設(shè)計；和冷卻性和易維護性能有待改進。

實用新型內(nèi)容針對上述技術(shù)問題，本實用新型提供一種高壓功率變換器機柜，包括用于容納整流模塊的第一柜體、用于容納逆變模塊的第二柜體、用于容納輸出濾波模塊的第三柜體和用于容納冷卻模塊和控制模塊的第四柜體。其中，第一柜體、第二柜體、第三柜體和第四柜體依此被布置成一排。通過采用圖IA和圖IB所示的高壓功率變換器機柜的結(jié)構(gòu)，可滿足礦井環(huán)境對高壓功率變換器的高度有要求。比如，將高壓功率變換器高度限制為不超過1400mmo此外，高壓功率變換器在礦井環(huán)境也會有其他特殊安裝要求；比如對于不同的高壓功率變換器外形，高壓功率變換器柜體之間距離有所不同；比如，柜體間為等距500mm的高壓功率變換器；高壓功率變換器的最大高度為1400mm，最大深度為1200mm，使得高壓功率變換器柜可以安放于礦井中。根據(jù)本實用新型的另一方面，提供一種采用上述功率變換器柜的高壓功率變換器。包括進線電源單元，包括容納整流模塊的第一柜體；逆變單元，包括容納逆變模塊的第二柜體；輸出濾波單元，包括容納輸出濾波模塊的第三柜體；和冷卻和控制單元，包括容納冷卻模塊和控制模塊的第四柜體；其中沿功率變換流向，進線電源單元、逆變單元和輸出濾波單元依此電氣連接；沿控制信號流向，冷卻和控制單元的控制模塊與進線電源單元、逆變單元和輸出濾波單元中的每一個信號連接；在冷卻和控制單元、進線電源單元、逆變單元和輸出濾波單元中形成冷卻液通道的冷卻液管。通過采用上述模塊化結(jié)構(gòu)，高壓功率變換器可由幾個獨立柜體組成，由此可按照多種方式組裝。這使得高壓功率變換器可以在不同的生產(chǎn)線裝配，為高壓功率變換器的生產(chǎn)提供方便。

圖IA和IB示出根據(jù)本實用新型一個實施例的高壓功率變換器機柜的透視圖；圖2示出根據(jù)圖IA或IB的高壓功率變換器柜的柜體框架；圖3A、3B、3C和3D分別示出圖2所示機柜框架的型材的放大圖； 圖4示出3A、3B、3C和3D的型材的連接圖；圖5A和5B分別示出采用根據(jù)圖IA和IB所示的高壓功率變換器柜的高壓功率變換器；圖5C示出根據(jù)圖5A或5B的高壓功率變換器的模塊圖；圖6為根據(jù)本實用新型一個實施例的進線電源單元的側(cè)視圖；圖7A為根據(jù)本實用新型一個實施例的逆變單元的主視圖；圖7B為根據(jù)本實用新型一個實施例的逆變單元的側(cè)視圖；圖8示出根據(jù)本實用新型一個實施例的輸出濾波單元的側(cè)視圖；和圖9示出根據(jù)本實用新型一個實施例的冷卻和控制單元的側(cè)視圖。
具體實施方式
圖IA和IB示出根據(jù)本實用新型一個實施例的高壓功率變換器機柜的透視圖。圖中虛線表示透視部分。如圖IA和IB所示，高壓功率變換器機柜I包括第一柜體10、第二柜體11、第三柜體12和第四柜體13，并且第一柜體10、第二柜體11、第三柜體12和第四柜體13依此被布置成一排。第一柜體10用于容納整流模塊,第二柜體11用于容納逆變模塊，第三柜體12用于容納輸出濾波模塊,第四柜體13用于容納冷卻模塊和控制模塊。第一柜體10、第二柜體11、第三柜體12和第四柜體13分別包括前板100、110、120、130，底板101、
111、121、131，頂板 102、112、122、132，側(cè)板 103、113、123、133 和后板 104、114、124、134。圖IA所示的高壓功率變換器機柜I中相鄰的兩個柜體通過側(cè)板連接，比如第一柜體10和第二柜體11、第二柜體11和第三柜體12、以及第三柜體12和第四柜體13通過側(cè)板113、123、133連接；圖2A所示的高壓功率變換器機柜I中相鄰的兩個柜體相距存在IOOmm至500mm的距離，比如第一柜體10和第二柜體11、第二柜體11和第三柜體12、以及第三柜體12和第四柜體13之間的距離范圍為IOOmm至500mm。通過采用圖IA和圖IB所示的高壓功率變換器機柜的結(jié)構(gòu)，可滿足礦井環(huán)境對高壓功率變換器的高度有要求。比如，將高壓功率變換器高度限制為不超過1400mm。此外，高壓功率變換器在礦井環(huán)境也會有其他特殊安裝要求；比如對于不同的高壓功率變換器外形，高壓功率變換器柜體之間距離有所不同；比如，柜體間為等距500mm的高壓功率變換器；高壓功率變換器的最大高度為1400mm，最大深度為1200mm，使得高壓功率變換器柜可以安放于礦井中。圖2示出根據(jù)圖IA或IB的高壓功率變換器柜的柜體框架。如圖2所示，高壓功率變換器的柜體包括柜體框架2。比如,第一柜體10包括第一柜體框架,第二柜體11包括第二柜體框架，第三柜體12包括第三柜體框架，第四柜體13包括第四柜體框架。如圖2所示,每個柜體框架2包括多個彼此連接并限定一室20的型材21。圖3A、3B、3C和3D分別示出圖2所示機柜框架的型材的放大圖。例如，圖2中a區(qū)域中的型材為圖3A所示的C-形型材，圖2中b區(qū)域中的型材為圖3B所示的方-形型材。圖2中c區(qū)域為兩個型材的連接區(qū)域，其放大圖如圖3C所示C-形型材21的連接端固定連接有連接-型材31，其固定連接到C-形型材21的型材體30。通過連接-型材31將C-形型材21和與其相鄰的型材固定，以便組成相應(yīng)的柜體框架。圖2中d區(qū)域為兩個型材的連接區(qū)域，其放大圖如圖3D所示方形-形型材21的連接端固定連接有連接-型材33，其固定連接到方形-形型材21的型材體32。通過連接-型材33將方形-形型材21和與其相鄰的型材固定，以便組成相應(yīng)的柜體框架。·圖4示出3A、3B、3C和3D的型材的連接圖。如圖4所示，C-形(或方-形)型材21固定連接有連接-型材31 (或33)。延每個型材開有多個孔40，并且連接-型材33上也開有多個孔41。多個緊固件41 (比如螺釘或鉚釘)通過連接區(qū)域的孔40，41將C-形(或方-形)型材21固定連接。最好，孔40，41之間的距離是相同的。通過采用圖2至圖4所示的機柜框架，機柜的強度得到提高。此外，對于特殊的應(yīng)用領(lǐng)域，比如礦井(變頻器面臨頻繁的震動)，因為C-形或方-形型材上預(yù)開有孔，所以可以利用該孔對機柜框架添加額外的型材來進一步提高柜體的強度，從而提高惡劣礦井環(huán)境下的可靠性。即，C-形或方-形梁結(jié)構(gòu)可以保證高壓功率變換器的結(jié)構(gòu)強度，也可以方便其他的結(jié)構(gòu)增強設(shè)計。圖5A和5B分別示出采用根據(jù)圖IA和IB所示的高壓功率變換器柜的高壓功率變換器。為了能顯示內(nèi)部結(jié)構(gòu)，柜體的前板沒有安裝。如圖5A和5B所示，高壓功率變換器5包括進線電源單元50、逆變單元51、輸出濾波單元52和冷卻和控制單元53。進線電源單元50包括容納整流模塊500的第一柜體10，逆變單元51包括容納逆變模塊510的第二柜體11，輸出濾波單元52包括容納輸出濾波模塊520的第三柜體12，冷卻和控制單元53包括容納冷卻模塊530 (在柜體的后部)和控制模塊531的第四柜體13。在冷卻和控制單元53、進線電源單元51、逆變單元52和輸出濾波單元53中形成冷卻液通道的冷卻液管54?？紤]到礦井應(yīng)用，高防護等級是必須的。水冷卻高壓功率變換器是最優(yōu)的選擇。圖5C示出根據(jù)圖5A或5B的高壓功率變換器的模塊圖。如圖5C所示，沿功率變換流向(箭頭A所示)，進線電源單元50、逆變單元51和輸出濾波單元52依此電氣連接，沿控制信號流向(箭頭B所示)，冷卻和控制單元53的控制模塊531與進線電源單元50、逆變單元51和輸出濾波單元52中的每一個信號連接。由于輸出濾波單元可抑制高頻諧波的輸出，該高壓功率變換器可適用于較長電機電纜(5km)采礦配置。通過采用上述模塊化結(jié)構(gòu)，高壓功率變換器可由幾個獨立柜體組成，由此可按照多種方式組裝。這使得高壓功率變換器可以在不同的生產(chǎn)線裝配，為高壓功率變換器的生產(chǎn)提供方便。圖6為根據(jù)本實用新型一個實施例的進線電源單元的側(cè)視圖，為了能顯示內(nèi)部結(jié)構(gòu)，第一柜體10的前板和左側(cè)板沒有安裝。如圖6所示的進線電源單元50，在第一柜體10內(nèi)，包括整流模塊500、電阻板501、接地開關(guān)502和安裝了風(fēng)機的空水交換器503。在第一柜體10的下部和上部分別安裝有一個進水管540和出水管,這些水管為第一柜體10內(nèi)的部分電子器件提供冷卻水。進水管540和出水管541可以和旁邊的其他柜體直接連接。整流模塊500是一個水冷卻的模塊，包括一個整流二極管組件和一個保護IGCT組件。整流模塊500通過螺栓和其他絕緣件安裝在第一柜體10的柜體框架2上。整流模塊500有一個冷水入口和一個熱水出口。整流模塊500與逆變單元51的直流環(huán)節(jié)模塊的直流電容通過電纜和銅排直接連接。電阻板501安裝有一些空冷電阻和一只電容。這些器件按照功能排列，方便維護和裝配。圖7A為根據(jù)本實用新型一個實施例的逆變單元的主視圖，為了顯示內(nèi)部結(jié)構(gòu)，前 板沒有安裝。如圖7A所示的逆變單元51，在第二柜體11內(nèi)，安裝有逆變器模塊510、兩個IGCT驅(qū)動電源511、直流環(huán)節(jié)模塊(未示出)、箝位模塊(未示出)和安裝了風(fēng)機的空水交換器(未不出)。在第二柜體11的下部和上部分別安裝有一個進水管540和出水管541，這些水管為第二柜體11內(nèi)的部分電子器件提供冷卻水。進水管540和出水管541可以和旁邊的其他柜體直接連接。逆變器模塊510是一個水冷卻的模塊，包括一組由絕緣門極控制晶閘管IGCT和二極管組成的組件。這些組件受高壓功率變換器控制單元的門極信號控制，可以將直流電壓逆變。通過IGCT的開關(guān)動作，在逆變單元51的輸出端得到逆變電壓。門極驅(qū)動供電電源安裝在柜體前部靠近逆變模塊的同時方便維護。逆變模塊有一個冷水入口和一個熱水出口。圖7B為根據(jù)本實用新型一個實施例的逆變單元的側(cè)視圖。如圖7B所示，直流環(huán)節(jié)模塊512和箝位模塊513可見。直流環(huán)節(jié)512由一組電容器組成，安裝在第二柜體11的柜體框架2上。電容組可以由空冷電容組成也可以由水冷電容組成。電容為自愈式直流電容。直流環(huán)節(jié)模塊和電容器通過螺栓和其他附件安裝在框架上然后固定在第二柜體11的柜體框架2上。電容器之間通過銅排并聯(lián)連接。箝位模塊513由兩套水冷電抗器和水冷電阻組成。模塊通過螺栓和其他附件安裝在框架上后固定在第二柜體11的柜體框架2上。在圖7B中，可以看到空氣的流動方向，風(fēng)機將冷卻后的空氣吹向逆變模塊510。通過采用上述配置的逆變單元，其結(jié)構(gòu)緊湊、維護快速，直流儲能電容-位置獨特、有效降低雜散電感，并且箝位器件-有效降低電流上升率引起的風(fēng)險。圖8示出根據(jù)本實用新型一個實施例的輸出濾波單元的側(cè)視圖。為了顯示內(nèi)部結(jié)構(gòu)，前板和左側(cè)板沒有安裝。如圖8所示的輸出濾波單元52，在第三柜體12內(nèi)，安裝有輸出濾波模塊520、電流檢測模塊521和安裝了風(fēng)機的空水交換器522。在第三柜體12的下部和上部分別安裝有進水管540和出水管541，這些水管為第三柜體12內(nèi)的部分電子器件提供冷卻水。進水管540和出水管541可以和旁邊的其他柜體直接連接。輸出濾波模塊52為水冷卻的模塊。由濾波電抗器和一組電容器組成。電抗器有一個冷水入口和一個熱水出口。電容器通過螺栓和其他附件安裝在框架上然后固定在第三柜體12的柜體框架2上。電容器之間通過銅排并聯(lián)連接。如圖8所示，可以看到空氣的流動方向，風(fēng)機將冷卻后的空氣吹向濾波電抗器520。圖9示出根據(jù)本實用新型一個實施例的冷卻和控制單元的側(cè)視圖。為了顯示內(nèi)部結(jié)構(gòu)，前板和左側(cè)板沒有安裝。如圖9所示的冷卻和控制單元53，在第四柜體13內(nèi)，安裝有控制模塊531和冷卻模塊530。在第四柜體13的上部和下部分別安裝有進水管540和出水管541，這些水管為其他柜體10、11、12提供冷卻水。控制模塊531包括了控制高壓功率變換器的控制模塊，比如IGCT的開關(guān)控制信號。冷卻模塊530用來提供滿足高壓功率變換器整機需要的低離子度冷卻水。例如，冷卻模塊530包括熱交換器5300，其包括用于冷卻液循環(huán)的冷卻液入口和冷卻液出口 ；和驅(qū)動冷卻液循環(huán)的泵5301。如圖9所示，可以看到空氣的流動方向，風(fēng)機將冷卻后的空氣吹向控制模塊531?？刂颇K531安裝在柜體前部，而冷卻模塊530安裝在柜體后部。對于各個單元采用模塊化設(shè)計，減低了組裝的復(fù)雜度、提高了冷卻效率并且改善了維護性能。其他三個柜體也是同樣的設(shè)計方式。所有的部件都可以預(yù)裝配后再安裝在柜體框架上，這種設(shè)計可以提高裝配質(zhì)量。易維護性主要體現(xiàn)在可以快速的更換功率半導(dǎo)體 器件和電路板等，更換過程簡單快速，不需要很高的技術(shù)能力。高壓功率變換器內(nèi)各個柜體內(nèi)的水管都在同一個水平，可以直接連接。每個柜體內(nèi)中空氣的溫度通過空水交換器冷卻。柜體間的距離可以為0或者從100毫米到500毫米。冷卻和控制單元的柜體的方向可以如圖5A或5B所示，或者旋轉(zhuǎn)90度。雖然已參照本實用新型的某些優(yōu)選實施例示出并描述了本實用新型，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白，在不背離由所附權(quán)利要求書所限定的本實用新型的精神和范圍的情況下，可以在形式上和細節(jié)上對其做出各種變化。
權(quán)利要求1.一種高壓功率變換器機柜，包括 用于容納整流模塊的第一柜體； 用于容納逆變模塊的第二柜體； 用于容納輸出濾波模塊的第三柜體；和 用于容納冷卻模塊和控制模塊的第四柜體； 其中 第一柜體、第二柜體、第三柜體和第四柜體依此被布置成一排。
2.如權(quán)利要求I所述的高壓功率變換器機柜，其中 每個柜體包括柜體框架，該柜體框架包括多個彼此連接并限定一室的型材。
3.如權(quán)利要求2所述的高壓功率變換器機柜，其中相鄰的兩個柜體通過側(cè)板連接。
4.如權(quán)利要求2所述的高壓功率變換器機柜，其中相鄰的兩個柜體之間存在100_至500臟的距離。
5.如權(quán)利要求2所述的高壓功率變換器機柜，其中 彼此連接的兩個型材之一包括位于其連接端的連接-型材，通過該連接-型材將所述兩個型材固定。
6.如權(quán)利要求2所述的高壓功率變換器機柜，其中型材為C-形型材或方形型材。
7.如權(quán)利要求2所述的高壓功率變換器機柜，還包括 多個緊固件； 其中 延每個型材開有多個孔； 連接-型材上開有多個孔；并且 緊固件通過連接區(qū)域的孔將所連接的型材固定。
8.一種包括如權(quán)利要求I至7之一所述的高壓功率變換器柜的高壓功率變換器，包括 進線電源單元，包括容納整流模塊的第一柜體； 逆變單元，包括容納逆變模塊的第二柜體； 輸出濾波單兀，包括容納輸出濾波模塊的第三柜體；和 冷卻和控制單元，包括容納冷卻模塊和控制模塊的第四柜體； 其中 沿功率變換流向，進線電源單元、逆變單元和輸出濾波單元依此電氣連接； 沿控制信號流向，冷卻和控制單元的控制模塊與進線電源單元、逆變單元和輸出濾波單元中的每一個信號連接； 在冷卻和控制單元、進線電源單元、逆變單元和輸出濾波單元中形成冷卻液通道的冷卻液管。
9.如權(quán)利要求8所述的高壓功率變換器，其中 整流模塊、逆變模塊、輸出濾波模塊、及冷卻模塊和控制模塊分別固定地連接到第一、第二、第三和第四機柜的柜體框架。
10.如權(quán)利要求8所述的高壓功率變換器，其中 冷卻模塊包括熱交換器，其包括用于冷卻液循環(huán)的冷卻液入口和冷卻液出口 ；和驅(qū)動冷卻液循環(huán)的泵。
11.如權(quán)利要求8所述的高壓功率變換器，還包括電氣連接進線電源單元、逆變單元和輸出濾波單元的電氣線纜。如權(quán)利要求8所述的高壓功率變換器，其中第一、第二、第三和/或第四柜體包括容納在室內(nèi)的、用于循環(huán)室內(nèi)空氣的風(fēng)機。
專利摘要本實用新型提供一種高壓功率變換器及其機柜。高壓功率變換器機柜包括用于容納整流模塊的第一柜體、用于容納逆變模塊的第二柜體、用于容納輸出濾波模塊的第三柜體和用于容納冷卻模塊和控制模塊的第四柜體。其中，第一柜體、第二柜體、第三柜體和第四柜體依此被布置成一排。通過采用上述結(jié)構(gòu)，可滿足礦井環(huán)境對高壓功率變換器的高度有要求。
文檔編號H02B1/56GK202444188SQ201220078708
公開日2012年9月19日 申請日期2012年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月1日
發(fā)明者埃里克·蘇特爾, 高丁丁 申請人:Abb技術(shù)有限公司