專利名稱：一種大容量五電平變流器功率柜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種集成門極換向晶閘管(Integrated Gate Commutated Thyristor,簡(jiǎn)稱IGCT)大容量五電平變流器功率柜結(jié)構(gòu)，它適用于3 100MVA大功率變流器中,可廣泛應(yīng)用于大功率傳動(dòng)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
集成門極換流晶閘管(IGCT)是將門極驅(qū)動(dòng)電路與門極換流晶閘管GCT集成于一個(gè)整體形成的器件。門極換流晶閘管GCT是基于GTO結(jié)構(gòu)的一個(gè)新型電力半導(dǎo)體器件，它不僅與GTO有相同的高阻斷能力和低通態(tài)壓降，而且有與IGBT相同的開(kāi)關(guān)性能，兼有GTO和IGBT之所長(zhǎng)，是一種較理想的兆瓦級(jí)、中壓開(kāi)關(guān)器件。由于IGCT具有像IGBT那樣具有快速開(kāi)關(guān)功能，像GTO那樣導(dǎo)電損耗低，特別是在高壓、大電流各種應(yīng)用領(lǐng)域中可靠性更高。IGCT裝置中所有元件裝在緊湊的模塊中，降低了成本。IGCT電壓源型逆變器，與其他類型變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，效率更高。目前國(guó)際上IGCT的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)很成熟，但是在國(guó)內(nèi)卻還處于起步階段，還沒(méi)有IGCT變流器的成熟產(chǎn)品問(wèn)世。完整的IGCT有源整流電路或逆變電路包括IGCT、反并聯(lián)二極管、箝位電路器件等，若將這些元件分散組裝后再用母線或?qū)Ь€進(jìn)行電氣連接，不僅其占用體積較大，而且使得線路雜散電感增大。雜散電感的增大會(huì)使IGCT的關(guān)斷電壓升高，影響IGCT器件的安全運(yùn)行。此外，IGCT的功率組件分散安裝，也不利于維修工作的進(jìn)行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的為針對(duì)采用IGCT等電力電子器件的大功率五電平變頻裝置，提出一種減少電路雜散電感，提高裝置輸出能力的模塊化的結(jié)構(gòu)，便于安裝組接，可適用于不同工程要求。本發(fā)明提供的一種大容量五電平變流器功率柜，從左往右依次由整流功率柜(I)、第一逆變功率柜(2)、電容柜(3)和第二逆變功率柜(4)組成的裝置。其中，整流功率柜(I)里包含三組相互獨(dú)立的整流功率模塊(5)，每組整流功率模塊(5)上帶有若干電力電子器件器件，通過(guò)內(nèi)部銅母線的連接實(shí)現(xiàn)直流輸出；電容柜(3)里包含三組相互獨(dú)立的電容功率模塊(6)，每組電容功率模塊(6)上安裝了若干直流電容；第一逆變功率柜(2)和第二逆變功率柜(4)里分別包含三組相互獨(dú)立的逆變功率模塊(7)，每組逆變功率模塊(7)上帶有四個(gè)IGCT器件。在整流功率柜(I)內(nèi)，從上至下內(nèi)分為三層，每層布置一組整流功率模塊(5)，每組整流功率模塊(5)即為一相完整的橋臂。在整流功率柜(I)深度方向上，整流功率模塊
(5)位于柜體中部靠前的位置，整流模塊水路母管(8)位于柜體前部。為了節(jié)約空間，整流功率柜(I)的整流模塊水路豎管(9)布置在整流功率柜(I)的側(cè)面，與每個(gè)整流功率模塊
(5)的整流模塊水路母管(8)接口相對(duì)應(yīng)，由球閥相互連接。整流模塊交流母排(10)與整流模塊直流母排(11)位于整流功率柜(I)的后部。同時(shí)，整流功率柜(I)后部布置了三組整流柜直流水平母排(12)，三組整流柜直流水平母排(12)在垂直方向上按一定間距平行布置。同時(shí)，每組整流柜直流水平母排(12)內(nèi)包含三個(gè)整流水平母排(13)，三個(gè)整流水平母排(13)亦在垂直方向上按照一定間距平行布置，由絕緣子(14)和直流水平母排支架(15)固定在整流功率柜(I)柜體相應(yīng)的安裝孔上。這樣的設(shè)計(jì)使得整個(gè)整流功率柜(I)分為三個(gè)功能區(qū)，水路與電路相隔開(kāi)，便于安裝和維護(hù)，避免了各個(gè)接口間的干擾，且結(jié)構(gòu)功能清晰。對(duì)于整流模塊直流母排(11)，在設(shè)計(jì)上需要盡可能的減小其雜散電感。為此，整流模塊直流母排(11)布置在整流功率模塊(5)的后部，即柜體內(nèi)靠后的位置，直接與整流水平母排(13)連接。這種連接方式使得線路之間的連接母排最短，有效地降低了其間的雜散電感，并且便于拆換、維護(hù)。需要更換整流功率模塊(5)時(shí)，只需將整流模塊直流母排(11)與整流水平母排(13)的連接斷開(kāi)，即可將整個(gè)整流功率模塊(5)整體移出。整流模塊交流母排(10)的作用是從整流功率柜(I)引入三相交流電，布置在與整流模塊直流母排
(11)同側(cè)相鄰的位置。而在交流側(cè)，無(wú)須考慮雜散電感等分布參數(shù)。因此整流模塊交流母排(10)的設(shè)計(jì)完全從使用、維護(hù)的角度來(lái)考慮，應(yīng)盡可能的為使用、安裝帶來(lái)便利。第一逆變功率柜(2)和第二逆變功率柜(4)的結(jié)構(gòu)形式相同。以第一逆變功率柜
(2)為例，在柜內(nèi)，從上至下內(nèi)分為三層，每層布置一組逆變功率模塊(7)。在第一逆變功率柜(2)和第二逆變功率柜(4)在的縱深方向上，逆變功率模塊(7)的逆變水路母管(18)和IGCT功率驅(qū)動(dòng)部分(19)位于柜體前部；逆變功率模塊(7)以及逆變直流搭接母排(20)和逆變交流搭接母排(21)位于柜體中部；柜體后部從上至下平行布置了三組逆變柜直流水平母排(22)，每組逆變柜直流水平母排(22)中包含三個(gè)逆變水平母排(23)。每個(gè)逆變水平母排(23)在垂直方向上按照一定的間距平行布置，由絕緣子(14)和直流水平母排支架
(15)固定在逆變功率柜柜體相應(yīng)的安裝孔上。每組逆變功率模塊(7)的逆變直流搭接母排(20)與相應(yīng)的逆變水平母排(23)相連接，實(shí)現(xiàn)了柜內(nèi)完整的電路連接。在電容柜(3)內(nèi)從上至下分為三層，每層布置一組電容功率模塊出)。為了節(jié)約整個(gè)電容柜⑶的空間，在電容柜柜內(nèi)還布置了冷卻水系統(tǒng)的供/回水豎直干管(16)。冷卻水系統(tǒng)的供/回水豎直干管(16)分別與左側(cè)第一逆變功率柜(2)和右側(cè)第二逆變功率柜⑷內(nèi)的逆變功率模塊⑵上的逆變水路母管(18)接口相對(duì)應(yīng)，由球閥相互連接。電容柜(3)縱深方向分為三個(gè)部分，前部、中部、后部。中部主要是電容功率模塊出)。前部除了用于安裝水冷系統(tǒng)的供/回水豎直干管(16)外，還利用了有限的空間來(lái)安裝預(yù)充電變壓器
(17)。在電容柜(3)后部，布置了三組在垂直方向上平行布置的電容柜直流水平母排(24)，每組電容柜直流水平母排(24)中包含了三個(gè)電容水平母排(25)。電容水平母排(25)在垂直方向上按照一定的間距平行布置，由絕緣子(14)和直流水平母排支架(15)固定在電容柜⑶柜體相應(yīng)的安裝孔上。每組電容功率模塊(6)的電容外接直流母排(26)與相應(yīng)的電容水平母排(25)相連接，實(shí)現(xiàn)可靠的電氣連接。一種大容量五電平變流器功率柜的電路連接，是由整流功率柜(I)中的整流水平母排(13)、第一逆變功率柜(2)中的逆變水平母排(23)、電容柜(3)中的電容水平母排
(25)和第二逆變功率柜(4)中的逆變水平母排(23)相互之間通過(guò)柜間搭接母排(27)的連接實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)，為了進(jìn)一步提高裝置的輸出能力，可以將兩套或多套五電平功率柜通過(guò)柜間搭接母排(27)連接起來(lái)使用。兩套五電平功率柜連接使用時(shí)，排列方式從左到右依次為:整流功率柜(I)、第一逆變功率柜(2)、電容柜(3)、第二逆變功率柜(4)、出線柜(28)、第二逆變功率柜(4)、電容柜(3)和第一逆變功率柜(2)。在兩套五電平功率柜中，增加了一組出線柜(28)。在出線柜(28)柜內(nèi)，前部布置從左側(cè)第二逆變功率柜(4)和右側(cè)第二逆變功率柜
(4)引出的出線交流外接母排(29)。柜子中部可以適當(dāng)布置放電功率回路(30)。柜子后部則布置了三組出線柜直流水平母排(31)。每組出線柜直流水平母排(31)中包含了三個(gè)出線水平母排(32)。出線直流水平母排(31)和出線水平母排(32)的排列方式與其他柜內(nèi)的水平母排相同。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于:功率柜緊湊的電路連接形式，減少了電路雜散電感，提高了裝置的輸出能力。同時(shí)，多套五電平變流器功率柜并聯(lián)輸出使用，可以更大的提高裝置的輸出能力，保證了裝置的工作性能。


圖1為五電平變頻裝置的電路原理圖；圖2為五電平變流器功率柜正面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為五電平變流器功率柜結(jié)構(gòu)立體圖；圖4為兩套五電平變流器功率柜結(jié)構(gòu)圖的主視圖；圖5為兩套五電平變流器功率柜結(jié)構(gòu)立體圖。圖中:整流功率柜1、第一逆變功率柜2、電容柜3、第二逆變功率柜4、整流功率模塊5、電容功率模塊6、逆變功率模塊7、整流模塊水路母管8、整流模塊水路豎管9、整流模塊交流母排10、整流模塊直流母排11、整流柜直流水平母排12、整流水平母排13、絕緣子14、直流水平母排支架15、水冷系統(tǒng)的供/回水豎直干管16、預(yù)充電變壓器17、逆變水路母管18、IGCT驅(qū)動(dòng)部分19、逆變直流搭接母排20、逆變交流搭接母排21、逆變柜直流水平母排22、逆變水平母排23、電容柜直流水平母排24、電容水平母排25、電容外接直流母排26、柜間搭接母排27、出線柜28、出線交流外接母排29、放電回路里的功率器件30、出線柜直流水平母排31、出線水平母排32。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明提供一種大容量五電平變流器功率柜，是針對(duì)采用IGCT等電力電子器件的五電平變頻裝置，電路拓?fù)淙鐖D1所示，圖中Dl D36為整流二極管，D37 D48為箝位二極管，Cl C6為直流電容，Tl T24為IGCT (含反并聯(lián)二極管)，五電平變頻裝置逆變側(cè)采用五電平NPC/H橋結(jié)構(gòu)，每相的直流側(cè)都有兩組二極管三相整流橋串聯(lián)構(gòu)成，并且中間環(huán)節(jié)接有直流電容。圖2為本發(fā)明的提供的一種五電平功率柜的結(jié)構(gòu)示意圖，所述的五電平功率柜由整流功率柜1、第一逆變功率柜2、電容柜3和第二逆變功率柜4組成。每臺(tái)整流功率柜I里包含三組相互獨(dú)立的整流功率模塊5，每組整流功率模塊5上帶有12只二極管器件，每個(gè)二極管器件通過(guò)內(nèi)部銅母線的連接實(shí)現(xiàn)直流輸出。電容柜3里包含三組相互獨(dú)立的電容功率模塊6 (如圖3)，每組電容功率模塊6上安裝了四個(gè)以上的直流電容；第一逆變功率柜2和第二逆變功率柜4里分別包含三組相互獨(dú)立的逆變功率模塊7，每組逆變功率模塊7上帶有四個(gè)IGCT器件。整流功率柜I的外型尺寸為2500X1000X1500 (高X寬X深，單位:_)。在深度方向上，如圖2，整流功率模塊5位于整流功率柜I中部靠前的位置，整流模塊水路母管8位于整流功率柜I前部，與柜體左側(cè)的整流模塊水路豎管9連接；如圖3，三組整流柜直流水平母排12，三組整流柜直流水平母排12在垂直方向上按一定間距平行布置，位于整流功率柜I的后部。同時(shí)，每組整流柜直流水平母排12內(nèi)包含三個(gè)整流水平母排13，三個(gè)整流水平母排13亦在垂直方向上按照一定間距平行布置，由絕緣子14和直流水平母排支架15固定在整流功率柜I柜體相應(yīng)的安裝孔上。第一逆變功率柜2和第二逆變功率柜4的結(jié)構(gòu)形式相同，外型尺寸為2500X1200X1500 (高X寬X深，單位:mm)。在第一逆變功率柜2和第二逆變功率柜4的縱深方向上，逆變功率模塊7的逆變水路母管18和IGCT驅(qū)動(dòng)部分19位于柜體前部，如圖2 ;逆變功率模塊7以及逆變直流搭接母排20和逆變交流搭接母排21位于柜體中部；柜體后部，從上至下平行布置了三組逆變柜直流水平母排22，每組逆變柜直流水平母排22中包含三個(gè)的逆變水平母排23。每個(gè)逆變水平母排23在垂直方向上按照一定的間距平行布置，由絕緣子14和直流水平母排支架15固定在第一逆變功率柜2和第二逆變功率柜4的柜體相應(yīng)的安裝孔上。電容柜3的外型尺寸為2500X1000X1500 (高X寬X深，單位:mm)。電容柜3縱深方向上，中部主要是電容功率模塊5 ;前部除了用于安裝水冷系統(tǒng)的供/回水豎直干管16外，還利用了有限的空間來(lái)安裝預(yù)充電變壓器17。在電容柜3后部，布置了三組在垂直方向上平行布置的電容柜直流水平母排24，每組電容柜直流水平母排24中包含了三個(gè)的電容水平母排25。電容水平母排25在垂直方向上按照一定的間距平行布置，由絕緣子14和直流水平母排支架15固定在電容柜3柜體相應(yīng)的安裝孔上。五電平功率柜的電路連接，則是由整流功率柜I中的整流水平母排13、第一逆變功率柜2中的逆變水平母排23、電容柜3中的電容水平母排25和第二逆變功率柜4中的逆變水平母排23相互之間通過(guò)柜間搭接母排27的連接實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)，為了進(jìn)一步提高裝置的輸出功率，可以將兩套五電平功率柜通過(guò)輸出變壓器實(shí)現(xiàn)并聯(lián)輸出。如圖4和圖5所示，兩套五電平功率柜從左到右依次包括:整流功率柜1、第一逆變功率柜2、電容柜3、第二逆變功率柜4、出線柜28、第二逆變功率柜4、電容柜3和第一逆變功率柜2。在兩套五電平功率柜中，增加了一組出線柜28，兩套五電平功率柜共用一個(gè)整流功率柜I。所述整流功率柜I的采用，根據(jù)功率容量進(jìn)行選取。在出線柜28柜內(nèi)，柜體前部固定有從左、右兩側(cè)逆變功率柜引出的交流出線外接母排29便于輸出接線。柜體中部安放三組放電功率回路30，分別于三組出線柜直流水平母排31連接，用于電容功率模塊的放電。柜子后部則布置了三組出線柜直流水平母排31。每組出線柜直流水平母排31中包含了三個(gè)出線水平母排32。出線柜三組直流水平母排31與其他柜內(nèi)的水平母排相同。
權(quán)利要求
1.一種大容量五電平變流器功率柜，其特征在于:從左往右依次為整流功率柜(I)、第一逆變功率柜(2)、電容柜(3)和第二逆變功率柜(4)，其中，整流功率柜(I)里包含三組相互獨(dú)立的整流功率模塊(5)，每組整流功率模塊(5)上帶有若干電力電子器件，通過(guò)內(nèi)部銅母線的連接實(shí)現(xiàn)直流輸出；電容柜(3)里包含三組相互獨(dú)立的電容功率模塊￠)，每組電容功率模塊(6)上安裝了若干直流電容；第一逆變功率柜(2)和第二逆變功率柜(4)里分別包含三組相互獨(dú)立的逆變功率模塊(7)，每組逆變功率模塊(7)上帶有四個(gè)IGCT器件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大容量五電平變流器功率柜，其特征在于:在整流功率柜(I)內(nèi)，從上至下分為三層，每層布置一組整流功率模塊(5);在深度方向上，整流功率模塊(5)位于整流功率柜(I)中部靠前的位置，整流模塊水路母管(8)位于前部；側(cè)面布置整流水路豎管(9)，與每個(gè)整流功率模塊(5)的整流模塊水路母管(8)接口相對(duì)應(yīng)，由球閥相互連接；整流功率柜(I)的后部是整流模塊交流母排(10)與整流模塊直流母排(11)；同時(shí)，整流功率柜(I)后部布置了三組整流柜直流水平母排(12)，三組整流柜直流水平母排(12)在垂直方向上平行布置；每組整流柜直流水平母排(12)內(nèi)包含三個(gè)整流水平母排(13)，三個(gè)整流水平母排(13)亦在垂直方向上平行布置，由絕緣子(14)和直流水平母排支架(15)固定在整流功率柜(I)柜體相應(yīng)的安裝孔上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大容量五電平變流器功率柜，其特征在于:整流模塊直流母排(11)直接與整流水平母排(13)連接；整流模塊交流母排(10)布置在與整流模塊直流母排(11)同側(cè)相鄰的位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大容量五電平變流器功率柜，其特征在于:第一逆變功率柜(2)和第二逆變功率柜(4)的結(jié)構(gòu)形式相同，以第一逆變功率柜(2)為例，在柜內(nèi)，從上至下內(nèi)分為三層，每層布置一組逆變功率模塊(7);在縱深方向上，逆變功率模塊(7)放置在柜體中部，逆變直流搭接母排(20)和逆變交流搭接母排(21)位于柜體后部；逆變功率模塊(7)的逆變水路母管(18)和IGCT驅(qū)動(dòng)部分(19)位于柜體前部；柜體后部從上至下平行布置了三組逆變柜直流 水平母排(22)，每組逆變柜直流水平母排(22)中包含三個(gè)逆變水平母排(23);每個(gè)逆變水平母排(23)在垂直方向上平行布置，由絕緣子(14)和直流水平母排支架(15)固定在逆變功率柜柜體相應(yīng)的安裝孔上；每組逆變功率模塊(7)的逆變直流搭接母排(20)與相應(yīng)的逆變水平母排(23)相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大容量五電平變流器功率柜，其特征在于:在電容柜(3)內(nèi)從上至下分為三層，每層布置一組電容功率模塊￠);在電容柜(3)內(nèi)還布置了冷卻水系統(tǒng)的供/回水豎直干管(16);冷卻水系統(tǒng)的供/回水豎直干管(16)分別與左側(cè)第一逆變功率柜(2)和右側(cè)第二逆變功率柜(4)內(nèi)的逆變功率模塊(7)上的逆變水路母管(18)接口相對(duì)應(yīng)，由球閥相互連接；電容柜⑶縱深方向上；中部是電容功率模塊(6);前部安裝水冷系統(tǒng)的供/回水豎直干管(16)和預(yù)充電變壓器(17);后部布置了三組在垂直方向上平行布置的電容柜直流水平母排(24)，每組電容柜直流水平母排(24)中包含了三個(gè)以上的電容水平母排(25);電容水平母排(25)在垂直方向上平行布置，由絕緣子(14)和直流水平母排支架(15)固定在電容柜(3)柜體相應(yīng)的安裝孔上；每組電容功率模塊(6)的電容外接直流母排(26)與相應(yīng)的電容水平母排(25)相連接，實(shí)現(xiàn)可靠的電氣連接。
6.一種大容量五電平變流器功率柜組，其特征在于:將多套五電平變流器功率柜通過(guò)柜間搭接母排(27)連接起來(lái)使用。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種大容量五電平變流器功率柜組，其特征在于:兩套五電平變流器功率柜通過(guò)柜間搭接母排(27)連接起來(lái)使用；兩套五電平變流器功率柜從左到右依次包括:整流功率柜(I)、第一逆變功率柜(2)、電容柜(3)、第二逆變功率柜(4)、出線柜(28)、第二逆變功率柜(4)、電容柜(3)和第一逆變功率柜(2)，兩套五電平變流器功率柜共用一個(gè)整流功率柜(I)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種大容量五電平變流器功率柜組，其特征在于:所述的出線柜(28)分為前部、中部和后部，前部布置從左側(cè)第二逆變功率柜(4)和右側(cè)第二逆變功率柜(4)引出的出線交流外接母排(29);中部布置放電功率回路(30);后部布置三組出線柜直流水平母排(31);每組出線柜直流水平母排(`31)中包含了三個(gè)出線水平母排(32)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種大容量五電平變流器功率柜，屬于半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)技術(shù)領(lǐng)域。五電平變流器功率柜，從左往右依次為整流功率柜、第一逆變功率柜、電容柜和第二逆變功率柜。其中，整流功率柜里包含三組相互獨(dú)立的整流功率模塊；電容柜里包含三組相互獨(dú)立的電容功率模塊；第一逆變功率柜和第二逆變功率柜里分別包含三組相互獨(dú)立的逆變功率模塊。本發(fā)明緊湊的電路連接形式，減少了電路雜散電感，提高了裝置的輸出能力。同時(shí)，多套五電平變流器功率柜并聯(lián)輸出使用，可以更大的提高裝置的輸出能力，保證了裝置的工作性能。
文檔編號(hào)H05K7/20GK103178721SQ20131011714
公開(kāi)日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2013年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月7日
發(fā)明者李崇堅(jiān), 王成勝, 段巍, 李向欣, 朱春毅, 唐磊, 楊瓊濤, 周亞寧, 蘭志明, 李凡 申請(qǐng)人:冶金自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院, 北京金自天正智能控制股份有限公司