本文介绍了风电变流器中心组成部分的单体变流器在机柜结构规划中空间狭小、作业环境恶劣等特色，本文进行了结构规划剖析。主要内容包含：单体变流器的组成布局、功率器材维护、结构受力，以及可维护性等。
1.导言
风电变流器主要在塔底乃至机舱内运转，大多数主机厂家都对变流器的外形体积有较为严厉的约束。直接导致变流器的结构规划布局要满意的紧凑，且并能满意电气功用要求、散热要求、可装置性、现场可维护性、人员可操作性、经济性等[1].本文针对这些要求，对单体变流器的结构规划进行剖析评价。
2.作业原理
单体变流器内部结构图如图1所示。主要由IGBT、散热冷板和电容衔接构成。IGBT是整个单体变流器的中心。IGBT以其输入阻抗高、开关速度快、通态压下降、阻断电压高、接受电流大等特色，已成为功率半导体器材开展的干流器材。本文示例所用的IGBT为德国SEMIKRON水冷，其型号为SKIIP2403，内部有4个IGBT功率元件组成，每个功率元件都反并联一个二极管，对其具有维护作用。
IGBT的操控是经过光电转换板，把外界的光信号转换成电信号，并由扁平电缆与IGBT相连来完结通讯的。光纤有三路信号，一路为发送模块自身毛病信号，模块无毛病时，送出常亮光；别的两路为接纳信号，一路为高电平，一路为低电平信号。别的IGBT的驱动电源为24V，IGBT的模块电流和温度能够由IGBT模块自身检测并送出，这些功用的完结也是经过扁平电缆完结的。
直流侧经过六个并联的电容与直流母排相衔接，用来对直流侧的电压进行支撑，确保直流电压的安稳。支撑电容经过层叠母排衔接，层叠母排为两层结构，中心是耐老化、耐腐蚀的绝缘物质，外覆绝缘包覆压合封边。
图1 器材布局图
3.规划准则
3.1整体器材布局
确保散热杰出因为变流器的运转时发热量大，其大部分的热量由水冷板的冷却液带走，但仍然会余留一部分热量在柜体内，加上母排等发热，并且大部分变流器空间相对紧凑，因而结构规划要充分考虑确保散热。
3.1.1敞开式规划
密闭式结构每个模块需求独自加装散热电扇以期能到达抱负的散热作用，相较于密闭式的单体变流器（如图2），主张选用敞开式规划（如图1），这样，一方面有利于对发散原件（如IGBT和电容）的散热。一方面结构布局简略明了，拆装廉价，不只具有经济性，更提高了加工生产过程的作业效率。
图2 密闭式单体变流器结构示意图
3.1.2竖立放置规划
依据热气流由下至上的活动准则竖直放置单体变流器，确保单体变流器的天然散热的气流晓畅。安置电容时，在空间答应的条件下，尽可能拉大电容的距离，以减小散热阻力。
3.2支撑电容安置
膜电容和铝电解电容是风电变流器中常用的两种支撑电容。因铝电解电容的耐压等级较低，需求对其很多的并串联，故其结构规划比较复杂，且其发热量大，运用寿命短，现已逐步被膜电容替代。膜电容具有耐压才能高、运用寿命长、发热量少等许多长处，在风电变流器中正被越来越广泛的运用。因为膜电容的额定作业电压可达1100V，在低压风电变流器中一般就不需求额定串联电容箱，简化了结构规划。作为直流侧支撑电容主张优先选用膜电容。
在电容布局规划时，要留意以下几个问题：
如图3（a）所示，大容量的超级电容的电流途径有穿插，高频磁场强，电感大，电流流向欠安；而选用多电容并联如图3（b）所示，正负极电流途径堆叠，高频磁场被抵消，回路的电感得到下降，然后使电流流向得以改进[1].
图3
3.2.2电容的摆放方向
如图4所示，图（a）电容的正负极连线平行于电流流向，图（b）电容的正负极连线垂直于电流流向，两者电容摆放方向相差90o.此二者布局构成的电流途径的环路面积就大不相同。
图4 电容摆放方向差异图
环路面积越小，电感越小。清楚明了，图（a）的环路面积小于图（b）的环路面积。图（a）合理，应选用此种电容摆放方法。
3.2.3对称安置电容
跟着风机向更高功率等级开展，选用多个功率器材并联来完结功用要求的规划越来越广泛。规划选用多个功率器材并联，电容散布应相对于功率器材对称安置，一方面防止单个的电容因接受较大的电流而发热严峻，另一方面有利于各功率器材的均流。
3.3电气件的软衔接维护
变流器在运转中会呈现振荡的现象。结构规划中假如选用刚性衔接会形成应力会集，削减器材的运用寿命，乃至形成损伤。规划考虑用软衔接，下降预应力。
单体变流器的IGBT和电容刚性固定在装置基板上，IGBT直流侧与电容衔接处较多，装置时简略发生预应力，规划运用层叠母排，铜排厚度1.5-2.5mm，规划时要求在引脚处进行退火处理，下降铜排的硬度，表2所示为退火前后铜排硬度和导电率的比照[2].
由上表得出，退火处理对铜排的导电率几乎没有影响，一起会大大下降铜排的硬度。在确保铜排杰出的导电功用的一起，添加铜排弹性，下降铜排的硬度。
别的，IGBT模块和沟通输出排均为刚性固定在装置基板上，导致IGBT模块与沟通输出排之间存在刚性衔接，假如运用硬铜排，会在变流器运转过程中不可防止的呈现预应力，形成铜排发热，乃至烧坏铜排和器材。规划运用T型均流排，添加导流面积，能够选用厚度较小（本例为2mm）的铜板料，也对其选用退火处理，添加资料的弹性。确保其衔接有用的一起，消除变流器运转引起的应力。
3.4确保均流
前面的电容布局规划中，说到%&&&&&%布局应尽量相较于功率器材堆成安置，力保功率器材均流。
图6 均排流运用示意图
相同，单体变流器沟通输出排在上出或下出输出电流的情况下，IGBT沟通侧4个功率模块不均流现象显着。
规划用T型折弯均流排将IGBT沟通侧4个出线端出来的电流汇流到T型的折弯区，然后再经过沟通输出排流出，能较好的下降不均流现象。
3.5交、直流以及水路选用出线灵敏
风电变流器各主机厂提出的机侧、网侧以及水路接口方位存在差异。故在规划结构时，应考虑单体变流器的结构对个主机厂的适应性。
图7 水管后出、沟通排上出
图8 水管前出、沟通排后出
首要，沟通排为前出，可依据客户的规划需求更改上、下的两种出线方法。图7为沟通排上出，图8为沟通排下出。其次，水管进出线可前出和后出两种出线方法。图7为水管后出，图8为水管前出。这种规划能够经过简略的结构件装置方法的改变而到达电路和水路规划的改变。然后能够适用不同风电主机厂家。
图9 单体变流器水平放置底部示意图
图10 单体变流器手孔放置示意图
3.6可维护性规划
单体变流器分量较大（本例约为25KG），在装置、查验或是在现场毛病查看的情况下，人工装置、拆开存在必定困难。
规划中充分考虑单体变流器有变流器托架结构和变流器放置架结构，可使其竖直放置和水平放置（如图9所示），确保其在厂内装置、拆开、运送及查看时的放置安稳。
别的，在其装置基板上开有4个80X30的跑道形手孔（如图10所示），便于作业人员在装置拆开过程中，对其推拉和提高。
4.结束语
风电变流器的运转环境恶劣，风电变流器的运转不断曝露了一些问题。且跟着技能的老练，3MW、5MW等大功率风力发电机组也逐步面世，单体变流器作为整个风电变流器的中心部分，其结构规划的合理性，是关乎整个变流器正常运转的重要保障，本文以上例浅谈了单体变流器结构规划的几个留意要点，望于读者有所学习。
