CN101459375B - 牵引变流装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种牵引变流装置，设置于封闭的箱体中，包括：位于所述箱体中央的功率单元，位于所述箱体侧面的内冷单元，包括外部冷却系统和内部冷却系统的冷却系统；其中，所述外部冷却系统，设置在所述功率单元附近，通过与箱体外界进行热交换对所述功率单元散热；所述内部冷却系统，设置在所述内冷单元附近，通过与所述外部冷却系统进行热交换对所述内冷单元散热。所述牵引变流装置的冷却系统能够从整体上对牵引变流装置的箱体降温，并且避免箱体内部电器设备积灰的现象，从而提高牵引变流装置运行的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及车辆牵引变流装置领域，特别涉及一种牵引变流装置。
背景技术
目前，随着轨道交通的快速发展，各种电力机车或内燃机车等普遍采用大功率的牵引变流装置，例如绝缘栅双极晶体管(Insulate Gate BipolarTransistor，IGBT)牵引变流器。
牵引变流装置一般由脉冲整流器、直流滤波电路、逆变器、真空交流接触器等主电路设备和无触点控制装置、控制电源等控制电路设备构成，上述设备都组装于一个箱体内，以减小设备组装后占用的空间。这样的设备配置虽然可以满足轻量化和结构紧凑要求，但由于单位体积内的设备运行时的热流量增大，使得设备散热问题更为突出，因此，牵引变流装置通常需要冷却系统进行冷却。
现有牵引变流装置的冷却系统，一般仅针对功率单元(即脉冲整流器和逆变器)进行散热，通过置于独立的风道内的强迫风冷散热器来实现，而控制电路设备和主电路设备中的其他部分，例如电阻、传感器、无触点控制装置和控制电源等电器设备分散布置在所述箱体的特定不同的区域内，难于安装散热器和独立的风道，因此往往没有对这部分电器设备进行专门的散热处理。事实上，这些电器设备在工作时也会产生相当大的热量，使得所述箱体内的温度升高，影响了这些电器设备运行的可靠性。
现有技术中某些牵引变流装置内，对上述除功率单元之外的电器设备分别设置了风扇进行通风散热，但是，风扇运转带来的灰尘却导致牵引变流装置的箱体内部积灰严重，而灰尘也会对所述电器设备以及风扇的正常工作带来诸多影响，也会堵塞通风孔，引起散热不良。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种牵引变流装置，所述牵引变流装置的冷却系统能够从整体上对牵引变流装置的箱体降温，并且避免箱体内部电器设备积灰的现象，从而提高牵引变流装置运行的可靠性。
为解决上述问题，本发明提供一种牵引变流装置，设置于封闭的箱体中，包括：
位于所述箱体中央的功率单元，
位于所述箱体侧面的内冷单元，
包括外部冷却系统和内部冷却系统的冷却系统；其中，
所述外部冷却系统，设置在所述功率单元附近，通过与箱体外界进行热交换对所述功率单元散热；
所述内部冷却系统，设置在所述内冷单元附近，通过与所述外部冷却系统进行热交换对所述内冷单元散热。
所述箱体外壁上具有进风口和出风口，
所述内部冷却系统包括：辅鼓风机，风道和热管换热器；其中，
所述辅鼓风机，位于所述内冷单元的上游，用于向所述内冷单元输送气流，所述气流将内冷单元的热量带至所述热管换热器的受热端，
所述风道，连通所述热管散热器的受热端和辅鼓风机，用于将流经所述热管换热器的受热端的气流输送回辅鼓风机，
所述热管换热器，其受热端位于所述内冷单元的下游，其散热端位于所述外部冷却系统中；
所述外部冷却系统包括：分流装置，主鼓风机和排风通道；其中，
所述分流装置，位于进风口下游，用于将进风口进入的气流分流至所述热管换热器的散热端和主鼓风机，
所述主鼓风机，位于所述功率单元上游，用于向所述功率单元输入气流，
所述排风通道，位于所述功率单元的下游，用于把流经所述功率单元的气流输送至排风口。
所述进风口处还具有空气过滤器。
所述外部冷却系统还包括与所述功率单元的发热部分连接的散热器，用于给所述功率单元中发热部分释放热量。
所述散热器为沸腾冷却器或均温板。
所述主鼓风机为双叶轮电动鼓风机。
所述功率单元包括：脉冲整流器功率模块和逆变器功率模块。
所述脉冲整流器功率模块和逆变器功率模块包括：智能功率模块或IGBT模块、二极管、缓冲电容器、缓冲电阻器、门极接口电路板、层压板母线或低感母排、平衡电阻器和滤波电容器。
内冷单元包括：电阻、传感器、控制箱。
内冷单元还包括：真空接触器、继电器单元和无触点控制装置。
所述分流装置还具有分流比例调节部件。
所述外部冷却系统中还包括位于所述脉冲整流器功率模块和逆变器功率模块下游的次级分流装置。
与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：
所述牵引变流装置通过整体上配置功率单元和内冷单元在箱体中的位置，由内部冷却系统和外部冷却系统分别对内冷单元和功率单元进行散热，而内部冷却系统中的没有箱体外的空气流入，仅与外部冷却系统进行热交换对所述内冷单元散热，外部冷却系统直接对功率单元进行散热，如此以来，无论对设置相对集中的功率单元，还是设置相对分散的电阻、传感器、控制箱等所谓内冷单元，能够从整体上进行散热，控制电器设备的温升，而且，由于内部冷却系统中没有外界空气的进入，可以避免灰尘积聚的问题，从而提高牵引变流装置运行的可靠性。
附图说明
通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1为本发明实施例一中牵引变流装置的内部冷却系统示意图；
图2为本发明实施例一中牵引变流装置的外部冷却系统示意图；
图3为本发明实施例一中牵引变流装置的散热器结构示意图；
图4为本发明实施例二中牵引变流装置的外部冷却系统示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示装置结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为突出本发明的特点，附图中没有给出与本发明的发明点必然直接相关的部分，例如，牵引变流装置所在的箱体、机车车体，智能功率模块或IGBT模块、二极管、缓冲电容器、缓冲电阻器、门极接口电路板、层压板母线或低感母排、平衡电阻器和滤波电容器等
牵引变流装置的冷却系统，需要对功率单元迅速的散热，还应保证箱体内的温升较小，满足设计规定的要求，而且内部电器设备上尽量没有灰尘。
而现有的牵引变流装置的冷却系统主要考虑了功率单元的散热，而对电阻、传感器、控制箱等未能实现有效的散热，或者只是对部分电器设备安装了散热器和风扇，未从牵引变流装置的整体角度综合加以考虑散热问题。
基于此，本发明提供了一种牵引变流装置，设置于封闭的箱体中，包括：位于所述箱体中央的功率单元，位于所述箱体侧面的内冷单元，包括外部冷却系统和内部冷却系统的冷却系统；其中，所述外部冷却系统，设置在所述功率单元附近，通过与箱体外界进行热交换对所述功率单元散热；所述内部冷却系统，设置在所述内冷单元附近，通过与所述外部冷却系统进行热交换对所述内冷单元散热。
以上所述的内冷单元是指：牵引变流装置中，除功率单元之外的电器设备，例如电阻、传感器、控制箱、真空接触器、继电器单元和无触点控制装置等。
本发明的基本思想在于，通过对牵引变流装置中各个电器设备的布置和冷却系统的设计，可以克服现有不对所述内冷单元的电器设备散热，而导致可靠性降低和对内冷单元的电器设备单独散热带来的积灰等问题。具有便于电源配置和集中检查、提高电器设备和元件工作可靠性的优点。
下面给出本发明所述牵引变流装置的具体实施方式。
实施例一
图1为本实施例中牵引变流装置的内部冷却系统示意图；图2为本实施例中牵引变流装置的外部冷却系统示意图。
所述牵引变流装置，设置于一封闭的箱体中，包括：
位于所述箱体中央的功率单元，位于所述箱体侧面的内冷单元，以及包括外部冷却系统和内部冷却系统的冷却系统。
参照图1和图2所示，所述外部冷却系统，设置在所述功率单元附近，通过与箱体外界进行热交换对所述功率单元散热；所述内部冷却系统，设置在所述内冷单元附近，通过与所述外部冷却系统进行热交换对所述内冷单元散热。
所述功率单元包括：脉冲整流器功率模块和逆变器功率模块，这部分也即牵引变流装置主要的发热部分。
其中，所述脉冲整流器功率模块和逆变器功率模块包括：智能功率模块(IPM，Intelligent Power Module)或IGBT模块、二极管、缓冲电容器、缓冲电阻器、门极接口电路板、层压板母线或低感母排、平衡电阻器和滤波电容器。
内冷单元包括：电阻、传感器、控制箱。所述内冷单元是指牵引变流装置中、由内部冷气系统冷却的电器设备。
上述功率单元和内冷单元的电器设备配置例如为：采用单相电压三点式PWM脉冲整流器和三相电压三点式PWM逆变器，箱体中包括U相、V相脉冲整流器功率模块和U相、V相、W相逆变器功率模块；将脉冲整流器功率模块和逆变器功率模块设置在箱体的中央，以便于集中配置电源设备；内冷单元中的电阻、传感器、控制箱等分散在箱体中的特定位置。真空接触器、继电器单元和无触点控制装置等配置于箱体前侧，以便于集中检查。
本实施例中冷却系统实质是采用风冷原理。所述箱体外壁上具有进风口和出风口，如图1所示，所述内部冷却系统包括：辅鼓风机，风道和热管换热器。其中，
所述辅鼓风机，位于所述内冷单元的上游，用于向所述内冷单元输送气流，所述气流将内冷单元的热量带至所述热管换热器的受热端，功率模块的车侧设置主鼓风机，所述主鼓风机例如为双叶轮电动鼓风机，向功率模块送风。
所述风道，连通所述热管散热器的受热端和辅鼓风机，用于将流经所述热管换热器的受热端的气流输送回辅鼓风机。
所述热管换热器，其受热端位于所述内冷单元的下游，其散热端位于所述外部冷却系统中。
如图2所示，所述外部冷却系统包括：分流装置，主鼓风机和排风通道。其中，
所述分流装置，位于进风口下游，用于将进风口进入的气流分流至所述热管换热器的散热端和主鼓风机，
所述主鼓风机，位于所述功率单元上游，用于向所述功率单元输入气流，
所述排风通道，位于所述功率单元的下游，用于把流经所述功率单元的气流输送至排风口。
所谓的上游、下游是按照冷却系统工作时送风气流的流动方向。
下面介绍上述牵引变流装置中冷却系统的工作原理。
所述冷却系统分为内部冷却系统和外部冷却系统两大部分，前者主要为电阻、传感器、控制箱等所谓的内冷单元冷却、降温，后者主要为功率单元冷却、降温。外部冷却系统与箱体的外界直接进行热交换，而内部冷却系统和外部冷却系统这两大冷却系统通过热管换热器进行热交换。图1和图2分别示出所述内部冷却系统和外部冷却系统。
在内部冷却系统中，辅鼓风机向分散在密闭室内的电阻、传感器、控制箱等所谓内冷单元吹风，气流使热量被传至热管换热器的受热端，由受热端再传至散热端，而被外部冷却系统带走；然后独立的风道将流经所述热管换热器的受热端的气流输送回辅鼓风机，由辅鼓风机循环的吹向内冷单元。在内部冷却系统里的空气被循环利用，没有箱体外的气流进入，这样就大大减少了箱体内的积灰，也能有效地将热量带走。
在外部冷却系统中，由进风口进入箱体内的空气被下游的分流装置分为两部分，一部分流向热管换热器的散热端，带走内部冷却系统中的热量，然后再进入主鼓风机；另一部分空气则直接进入主鼓风机，由主鼓风机吹向主要的发热部分功率单元，例如为脉冲整流器功率模块和逆变器功率模块，将功率单元的热量由出风口带出箱体。
可见，上述牵引变流装置通过整体上配置功率单元和内冷单元在箱体中的位置，由内部冷却系统和外部冷却系统分别对内冷单元和功率单元进行散热，而内部冷却系统中的没有箱体外的空气流入，仅与外部冷却系统进行热交换对所述内冷单元散热，外部冷却系统直接对功率单元进行散热，如此以来，无论对设置相对集中的功率单元，还是设置相对分散的电阻、传感器、控制箱等所谓内冷单元，能够从整体上进行散热，控制电器设备的温升，而且，由于内部冷却系统中没有外界空气的进入，可以避免灰尘积聚的问题，从而提高牵引变流装置运行的可靠性。
优选的，所述进风口处还具有空气过滤器，外界空气先经过空气过滤器后再进入分流装置，空气过滤器将空气中的灰尘和杂质留在过滤器上以净化空气，进一步防止箱体内灰尘的积聚。
优选的，所述外部冷却系统还包括与所述功率单元的发热部分连接的散热器，用于给所述功率单元中发热部分释放热量。所述功率单元的发热部分为脉冲整流器功率模块和逆变器功率模块，例如，智能功率模块或IGBT模块、二极管、缓冲电容器、缓冲电阻器、门极接口电路板、层压板母线或低感母排、平衡电阻器和滤波电容器等。散热器能够使发热部分的热量充分释放，以便被气流带走，提高散热效率。
所述散热器可以为热管冷却装置，优选的，所述散热器采用沸腾冷却器(或均温板)。图3是沸腾冷却器的原理示意图，此装置采用内存制冷容器外壁直接接触元件的强化散热方式，可有效提高IPM(或IGBT)断开性能(降低主电路配线电感)，增强装置冷却性能、减小体积、降低重量。蒸发部外壁面直接接触元件，外壁面吸收的元件热量传递到内壁面后用于内部制冷剂沸腾，沸腾产生的蒸汽被直接导向数量众多的散热片组成的冷凝部。蒸汽放出汽化潜热并液化，在重力作用下流回蒸发部。上述循环可以实现高于热管冷却装置几倍的冷却性能，从而有效降低质量。
所述沸腾冷却器中，制冷剂选用替代氟利昂，属于非氟利昂系制冷剂，既高效，又可以避免对环境的破坏。
上述实施例中，真空接触器、继电器单元和无触点控制装置等位于箱体的检查面侧，实施上它们也可作为内冷单元，由内部冷却系统进行散热，也即内冷单元还包括：真空接触器、继电器单元和无触点控制装置。上述电器设备虽然分散于箱体侧面不同的位置，但是均可以由辅鼓风机、独立的风道和热管换热器组成的内部冷却系统进行散热，其散热原理与实施例一相同，在此不再赘述。
除此以外，所述外部冷却系统中的分流装置以根据换热量的需要对其分流的两部分空气的比例进行调整，从主鼓风机吹出的空气也可以分流吹向功率单元的不同部分，具体在以下实施例中说明。
实施例二
图4为本实施例中牵引变流装置的外部冷却系统的示意图。
与实施例一相同，本实施例中，牵引变流装置包括单相电压三点式PWM脉冲整流器和三相电压三点式PWM逆变器，功率单元也包括U相、V相脉冲整流器功率模块和U相、V相、W相逆变器功率模块。
与实施例一的区别在于，所述分流装置还具有分流比例调节部件，该分流比例调节部件将进入主鼓风机的这两部分空气流量的比例进行调整，可以根据内部冷却系统和外部冷却系统换热量的需要进行分配，例如，如果内冷单元的温升过大，则增大流向热管换热器散热端的空气流量；如果功率单元的温升过大，则相应增大直接进入主鼓风机的空气流量。
所述的分流装置可以为具有分支的风道，而所述分流比例调节部件可以为风道的可控闸门，如此以来，可以根据实际的温升状况，调配进入外部冷却系统的气流，以平衡内部冷却系统和外部冷却系统的热交换量，提高整个冷却系统的效率
此外，优选的，所述外部冷却系统中还包括次级分流装置，所述次级分流装置位于所述脉冲整流器功率模块和逆变器功率模块的下游。例如，如图4所示，主鼓风机出口的空气平均为两部分流向U相和V相脉冲整流器功率模块，而从脉冲整流器功率模块流出的空气被次级分流装置分为大小流量两部分，箭头A表示大流量，箭头B表示小流量，大小流量的流量比为2∶1，这样流过逆变器功率模块时，能保证流经U相、V相和W相逆变器功率模块的空气流量相同，从而保证了温升的均匀性，有利于提高可靠性。
经过逆变器功率模块后，空气被次级分流装置分成两部分，通过两个独立的排风通道排向大气，构成外部冷却循环，从而完成了外部冷却系统的功能。
与分流装置类似，所述的次级分流装置也可以为具有分支的风道，通过可控闸门调节进入各个分支的空气流量。
另外，本实施例中的脉冲整流器功率模块和逆变器功率模块，也可以和实施例一样包括散热器，加快功率模块释放热量，提高散热效率。本实施例中牵引变流装置的内部冷却系统与前述实施例也相同。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (12)
1.一种牵引变流装置，设置于封闭的箱体中，其特征在于，包括：
位于所述箱体中央的功率单元，
位于所述箱体侧面的内冷单元，
包括外部冷却系统和内部冷却系统的冷却系统；其中，所述内冷单元是指牵引变流装置中、除功率单元之外的电器设备；
所述外部冷却系统，设置在所述功率单元附近，通过与箱体外界进行热交换对所述功率单元散热；
所述内部冷却系统，设置在所述内冷单元附近，通过与所述外部冷却系统进行热交换对所述内冷单元散热。
2.根据权利要求1所述的牵引变流装置，所述箱体外壁上具有进风口和出风口，其特征在于，
所述内部冷却系统包括：辅鼓风机，风道和热管换热器；其中，
所述辅鼓风机，位于所述内冷单元的上游，用于向所述内冷单元输送气流，所述气流将内冷单元的热量带至所述热管换热器的受热端，
所述风道，连通所述热管换热器的受热端和辅鼓风机，用于将流经所述热管换热器的受热端的气流输送回辅鼓风机，
所述热管换热器，其受热端位于所述内冷单元的下游，其散热端位于所述外部冷却系统中；
所述外部冷却系统包括：分流装置，主鼓风机和排风通道；其中，
所述分流装置，位于进风口下游，用于将进风口进入的气流分流至所述热管换热器的散热端和主鼓风机，
所述主鼓风机，位于所述功率单元上游，用于向所述功率单元输入气流，
所述排风通道，位于所述功率单元的下游，用于把流经所述功率单元的气流输送至排风口。
3.根据权利要求2所述的牵引变流装置，其特征在于，所述进风口处还具有空气过滤器。
4.根据权利要求2所述的牵引变流装置，其特征在于，所述外部冷却系统还包括与所述功率单元的发热部分连接的散热器，用于给所述功率单元中发热部分释放热量。
5.根据权利要求4所述的牵引变流装置，其特征在于，所述散热器为沸腾冷却器或均温板。
6.根据权利要求2所述的牵引变流装置，其特征在于，所述主鼓风机为双叶轮电动鼓风机。
7.根据权利要求1或2所述的牵引变流装置，其特征在于，所述功率单元包括：脉冲整流器功率模块和逆变器功率模块。
8.根据权利要求7所述的牵引变流装置，其特征在于，所述脉冲整流器功率模块和逆变器功率模块包括：智能功率模块或IGBT模块、二极管、缓冲电容器、缓冲电阻器、门极接口电路板、层压板母线或低感母排、平衡电阻器和滤波电容器。
9.根据权利要求1或2所述的牵引变流装置，其特征在于，内冷单元包括：电阻、传感器、控制箱。
10.根据权利要求9所述的牵引变流装置，其特征在于，内冷单元还包括：真空接触器、继电器单元和无触点控制装置。
11.根据权利要求2所述的牵引变流装置，其特征在于，所述分流装置还具有分流比例调节部件。
12.根据权利要求7所述的牵引变流装置，其特征在于，所述外部冷却系统中还包括位于所述脉冲整流器功率模块和逆变器功率模块下游的次级分流装置。
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