[發(fā)明專(zhuān)利]一種四象限運(yùn)行的高功率大電流鋁合金制變流模塊

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610600672.5
• 申請(qǐng)日: 2016-07-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106100370B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-05-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李金超;宋執(zhí)權(quán);傅鵬;陶駿;張杰
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所
• 主分類(lèi)號(hào): H02M7/162
• 分類(lèi)號(hào): H02M7/162;H05K7/20
• 代理公司: 安徽合肥華信知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司34112
• 代理人: 余成俊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及高功率大電流變流模塊領(lǐng)域，具體是一種四象限運(yùn)行的高功率大電流鋁合金制變流模塊。

背景技術(shù)

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步和性能更加優(yōu)異的半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，晶閘管在中小容量系統(tǒng)中的應(yīng)用已被IGBT和MOSFET取代。但憑借其大額定電流、高額定電壓、相對(duì)較小散熱密度和較低的成本，晶閘管仍在高壓大電流領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。目前，其主要用于大電流變流系統(tǒng)、高壓直流輸電和大電流電力電子開(kāi)關(guān)。高功率大電流的晶閘管變流系統(tǒng)主要應(yīng)用于金屬電解、金屬冶煉、氯堿等工業(yè)領(lǐng)域、大電流直流試驗(yàn)平臺(tái)以及磁約束核聚變裝置的磁體電源。

大電流晶閘管變流系統(tǒng)通常采用雙反星型結(jié)構(gòu)、同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)和非同向逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。雙反星型結(jié)構(gòu)消除了變流變壓器的磁勢(shì)不平衡，消除了變流系統(tǒng)直流磁化問(wèn)題，提高了整流變的利用率；這種結(jié)構(gòu)展寬了每個(gè)晶閘管的導(dǎo)通角度，在相同的電流裕量條件下，雙反星形結(jié)構(gòu)比普通橋式結(jié)構(gòu)的橋臂節(jié)省一半的晶閘管，提高了晶閘管的利用效率。其結(jié)構(gòu)特性決定了這種結(jié)構(gòu)在低壓大電流變流應(yīng)用中的良好表現(xiàn)。但是，這種結(jié)構(gòu)也同樣制約著雙反星形結(jié)構(gòu)在較高電壓的變流系統(tǒng)中的應(yīng)用。同向逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)和雙反星型結(jié)構(gòu)有著類(lèi)似的技術(shù)應(yīng)用并且能夠獲得更高的直流電壓，因此，曾經(jīng)在國(guó)內(nèi)的電解、鹵堿等工業(yè)領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)也無(wú)法回避絕緣電壓?jiǎn)栴}，一旦同相逆并聯(lián)橋臂發(fā)生絕緣故障時(shí)，其直流側(cè)電壓正常運(yùn)行時(shí)的1.82倍，相應(yīng)的元件管壓降升高為原來(lái)的2倍。如果晶閘管選型預(yù)留充足的安全裕度，將會(huì)導(dǎo)致巨大的期間容量浪費(fèi)，同時(shí)也會(huì)限制變流系統(tǒng)的電壓；如果保持正常裕度，將會(huì)給變流系統(tǒng)的運(yùn)行引入巨大的風(fēng)險(xiǎn)。隨著同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)大電流變流系統(tǒng)的故障甚至災(zāi)難性事故的不斷發(fā)生，人們也開(kāi)始反思這種結(jié)構(gòu)在較高電壓的變流系統(tǒng)中的應(yīng)用。

隨著變流系統(tǒng)的功率需求不斷增大，系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、可靠性也越來(lái)越受重視。ABB，Alstom, Ansaldo等國(guó)外高功率變流系統(tǒng)企業(yè)較多采用非同相逆并聯(lián)作為變流橋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的變流橋電氣回路和器件布局都相對(duì)簡(jiǎn)單，各方面性能都比較均衡結(jié)構(gòu)。不能利用逆并聯(lián)的導(dǎo)體布局，改善磁場(chǎng)分布，抑制磁飽和，但也不會(huì)引入不必要的絕緣故障隱患，雖然比雙反星形多了一倍晶閘管，卻可以實(shí)現(xiàn)更高直流電壓的輸出。該結(jié)構(gòu)也大大簡(jiǎn)化了變流器主回路及其水冷系統(tǒng)。非同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)的管壓降僅為同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)管壓降的一半。況且，非同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)的絕緣和晶閘管冷卻方式也都明顯比同軸對(duì)稱(chēng)式結(jié)構(gòu)更優(yōu)。隨著變流電流和功率的增加，性能均衡非同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)能夠提供更好的安全性和可靠性保障。

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)大電流變流系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用中過(guò)多關(guān)注經(jīng)濟(jì)投入和相對(duì)落后的要求，導(dǎo)致大電流變流系統(tǒng)加工行業(yè)缺乏技術(shù)進(jìn)步和革新的動(dòng)力，造成現(xiàn)在大電流變流系統(tǒng)設(shè)計(jì)生產(chǎn)長(zhǎng)期處于粗放型的運(yùn)行模式。變流電流的增加必然需要更多的并聯(lián)晶閘管，但是，大多數(shù)的應(yīng)用采用分段式非同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)回避均流問(wèn)題。從而導(dǎo)致變流橋體積增大、設(shè)備占地增加、設(shè)備材料和加工成本上升，也會(huì)為安裝、運(yùn)輸和運(yùn)行維護(hù)帶來(lái)不便。

另外，早期的大電流系統(tǒng)多采用銅為設(shè)備導(dǎo)體排，隨著變流器系統(tǒng)的容量的增加，繼續(xù)采用銅導(dǎo)體會(huì)帶來(lái)巨大的成本投入，鋁合金無(wú)論在價(jià)格和機(jī)械特性方面都表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)。現(xiàn)在，在高功率變流系統(tǒng)導(dǎo)體的應(yīng)用中，鋁合金已經(jīng)被廣泛采用，但是鋁合金加工技術(shù)卻難以滿(mǎn)足實(shí)際的技術(shù)要求，尤其是水冷鋁合金型材加工上的工藝水平。大截面水冷鋁合金材料加工能力的欠缺，繼而導(dǎo)致了鋁合金導(dǎo)體截面的增加，也不得不引入相對(duì)復(fù)雜的水冷系統(tǒng)對(duì)晶閘管進(jìn)行冷卻。這不僅增加了生產(chǎn)和維護(hù)成本，同時(shí)也降低了系統(tǒng)的可靠性。

高功率大電流變流系統(tǒng)也為磁約束核聚變裝置的磁體提供可供的電能。大部分磁體都要求變流系統(tǒng)根據(jù)所需工況實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，額定直流電壓從數(shù)百至數(shù)千伏不等，輸出直流電流從數(shù)十千安甚至近百千安，有的要求長(zhǎng)期穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，有的要求脈沖運(yùn)行工況且能夠快速跟蹤電壓電流的任意變化波形。四象限變流模塊是變流系統(tǒng)的核心設(shè)備。磁約束核聚變裝置對(duì)安全可靠性的極端要求，衍生出對(duì)變流模塊各方面技術(shù)性能和工業(yè)實(shí)踐的嚴(yán)格要求。