CN101764510A - 一种大功率变流器装置风冷散热结构 - Google Patents

一种大功率变流器装置风冷散热结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大功率变流器装置风冷散热结构,在该大功率变流器装置内竖向隔板将腔体内部空间分隔出第一腔体和第二腔体;第一腔体和第二腔体的顶部分别设出风口,第一腔体和第二腔体的底部分别设进风口,以此形成第一、第二两个散热风道;电力电子功率器件和电力电子控制部件设于第一风道内;辅助变压器、网侧电感、变流器侧电感、交流滤波电容、直流侧电阻以及阻尼电阻沿第二风道的气流方向依次布置;所述第一风道和第二风道上均设有风扇。本发明将多种无源元件与电力电子功率器件进行协调统一散热,并减小了风机数量和散热装置体积。

Description

一种大功率变流器装置风冷散热结构
技术领域
本发明涉及一种大功率变流器的风冷散热结构,具体涉及一种隔离型大功率变流器装置风冷散热结构。本发明主要用于具有较多无源元件的大功率变流器的风冷散热结构,属于电力电子器件制造技术领域。
背景技术
在工业领域中,大功率电力电子装置存在许多热源,这些热源主要来自有源和无源发热元件。有源发热元件主要指电力电子器件,如可控硅、IGBT、GTO、IGCT;无源发热元件则主要包括电抗器、电阻器、变压器等。所有这些发热元件都会使装置的温度升高,从而导致装置内部的元器件性能变差,寿命减低。随着电力电子装置向小型化、轻量化、可靠化的方向发展,更加有效的散热技术成了研究的重点。
现有大功率电力电子装置热设计过程中,通常对功率模块和其他发热元件分别进行散热。相对于变压器、电抗器等无源元件而言,功率模块因体积较小而使热容量受限制,温度易被快速拉升,使其散热问题尤为突出。在大功率场合,通常采取专门的散热器辅助散热,并对散热器进行强制冷却,比如采用强迫风冷、水冷、油冷、热管散热等方式。
在众多散热方式中,强制风冷的散热效果远好于自然风冷,而复杂性又大大低于水冷和油冷,价格低于热管散热方式,且可靠性也较高,因此是功率为数百瓦到数百千瓦的电力电子装置的主要散热方式。
通常情况下,选用散热面积较大的型材散热器和风量较大的风机可以降低散热器到环境的热阻,提高散热效果,但散热面积的增加和风机风量的提高均受到散热器的加工工艺、体积、重量以及噪音等指标的限制。因此,在散热器和风机参数一定的条件下,合理的风道设计是改善散热效果的又一有效途径。在包含许多发热无源元件的大功率电力电子装置中,如何紧凑的设计风道,并且减小风机数量和装置体积显得至关重要。
现有的电力电子装置多采取侧向进风,侧向直接出风的散热结构形式,如中国专利(专利号为99227679.9,名称为“半导体器件上的横流风扇冷却装置”)所公开的技术内容。这种结构实现简单,体积较小,但由于进风口和出风口散热效果不一致,存在明显的温度梯度。对于大功率变流器装置,仅仅依靠这种横流风扇冷却装置显然不能满足要求。中国专利号为200410073407.3,名称为“一种高效率低噪声散热器和常用散热器的改进设计”的专利,公开了一种新型的风冷散热器,能够加大风量的利用效率,改善散热效果,但并未从根本上解决单纯横向冷却存在温度梯度的问题。中国专利号为200820054320.5,名称为“一种变流装置的散热装置”的专利,公开了一种散热结构,在一定程度上减小了功率模块进风口与出风口的温度梯度,但并没有考虑功率模块散热风道与其他风道的配合关系。另外,中国专利号为200820054322.4,名称为“一种变流装置电抗器散热结构”的专利,公开了一种电抗器散热与电力电子功率器件散热协调统一的结构,但是并不适用于包含多个无源发热元件的装置。因此,针对含有多个无源发热元件的大功率电力电子装置的散热结构形式,有必要进一步研究。
发明内容
本发明目的是提供一种大功率变流器装置风冷散热结构,其目的是提供一种将多种无源元件与电力电子功率器件进行协调统一散热的结构,该结构通过独立且紧凑的风道保证了电力电子功率器件和多种无源元件的散热效果,减小散热装置体积。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案是:一种大功率变流器装置风冷散热结构,在该大功率变流器装置的机柜腔体内设竖向隔板,该竖向隔板将腔体内部空间分隔出第一腔体和第二腔体;第一腔体和第二腔体的顶部分别设出风口,第一腔体和第二腔体的底部分别设进风口,以此形成第一、第二两个散热风道;该大功率变流器装置的电力电子功率器件和电力电子控制部件设于第一风道内,且电力电子功率器件和电力电子控制部件沿第一风道的气流方向依次布置;该大功率变流器装置的辅助变压器、网侧电感、变流器侧电感、交流滤波电容、直流侧电阻以及阻尼电阻设于第二风道内,且辅助变压器、网侧电感、变流器侧电感、交流滤波电容、直流侧电阻以及阻尼电阻沿第二风道的气流方向依次布置;所述第一风道和第二风道上均设有风扇。
上述技术方案中的有关内容解释如下:
1、上述方案中,所述竖向隔板的底边与机柜底面之间留有间距,以此在机柜腔体底部形成一连通空间;连通空间的侧面设共用进风口,该共用进风口与第一腔体和第二腔体的进风口连通。
2、上述方案中,所述电力电子功率器件、电力电子控制部件固定于纵向隔板的一侧表面上,所述交流滤波电容、阻尼电阻、直流侧电阻固定于纵向隔板的另一侧表面上,所述辅助变压器、网侧电感、变流器侧电感固定于连通空间内。
3、上述方案中,所述网侧电感与辅助变压器间距为10cm,与变流器侧电感间距为10cm。
4、上述方案中,所述第一风道的风扇为离心风机,它设于第一风道下部;所述第二风道的风扇为离心风机,它设于第二风道的顶部。
5、上述方案中,所述交流滤波电容底侧设有用于阻挡热流的隔热板。
6、上述方案中,所述网侧电感、变流器侧电感的正面朝向第二风道内气流方向。
7、上述方案中,所述阻尼电阻的底部设有用于支撑的金属支架。
本发明工作原理及优点是:电力电子功率器件和多种无源元件拥有各自独立的风道,且二者的风道出口均位于机柜顶部。在机柜进风口的入口处设有将机柜隔离成两个分区的竖向隔板,功率模块及控制部件置于其中一个分区内,所有发热无源元件置于另一个分区内。功率模块的分区嵌入到无源元件分区的上部,中间用竖向隔板隔开。隔板可为非全隔离型的,隔板上部与两侧为全隔离的,上部直接与机柜顶部相连接,隔板两侧直接与机柜侧面连接,而隔板下部为非隔离的,即不与机柜底板相连,以便于风道的通畅,该结构通过独立且紧凑的风道保证了电力电子功率器件和多种无源元件的散热效果,减小了风机数量和散热装置体积。
附图说明
附图1为本实施例的机柜柜体主视图;
附图2为本实施例的机柜柜体左视图;
附图3为本实施例的机柜柜体后视图;
附图4为本实施例的机柜柜体俯视图;
附图5为本实施例的机柜内部主视图;
附图6为实施例的机柜内部左视图;
附图7为实施例的机柜内部后视图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述:
实施例:一种大功率变流器的风冷散热结构装置
一种大功率变流器装置风冷散热结构,在该大功率变流器装置的机柜腔体内设竖向隔板,该竖向隔板将腔体内部空间分隔出第一腔体和第二腔体;第一腔体和第二腔体的顶部分别设出风口,第一腔体和第二腔体的底部分别设进风口,以此形成第一、第二两个散热风道,所述竖向隔板的底边与机柜底面之间留有间距,以此在机柜腔体底部形成一连通空间;连通空间的侧面设共用进风口,该共用进风口与第一腔体和第二腔体的进风口连通;该大功率变流器装置的电力电子功率器件(SKiip-1、SKiip-2、SKiip-3)和电力电子控制部件设于第一风道内,且电力电子功率器件(SKiip-1、SKiip-2、SKiip-3)和电力电子控制部件沿第一风道的气流方向依次布置;该大功率变流器装置的辅助变压器(TR1)、网侧电感(La1、Lb1、Lc1)、变流器侧电感(La2、Lb2、Lc2)、交流滤波电容(Ca、Cb、Cc)、直流侧电阻(R7、R9)以及阻尼电阻(Ra、Rb、Rc)设于第二风道内,且辅助变压器(TR1)、网侧电感(La1、Lb1、Lc1)、变流器侧电感(La2、Lb2、Lc2)、交流滤波电容(Ca、Cb、Cc)、直流侧电阻(R7、R9)以及阻尼电阻(Ra、Rb、Rc)沿第二风道的气流方向依次布置;所述第一风道和第二风道上均设有风扇,该第一风道的风扇为离心风机,它设于第一风道下部;所述第二风道的风扇为离心风机,它设于第二风道的顶部。
所述电力电子功率器件、电力电子控制部件固定于纵向隔板的一侧表面上,所述交流滤波电容(Ca、Ca、Cc)、阻尼电阻(Ra、Rb、Rc)、直流侧电阻(R7、R9)固定于纵向隔板的另一侧表面上,所述辅助变压器(TR1)、网侧电感(La1、Lb1、Lc1)、变流器侧电感(La2、Lb2、Lc2)固定于连通空间内。
所述网侧电感(La1、Lb1、Lc1)与辅助变压器(TR1)间距为10cm,与变流器侧电感(La2、Lb2、Lc2)间距为10cm。
所述交流滤波电容(Ca、Ca、Cc)底侧设有用于阻挡热流的隔热板。
所述网侧电感(La1、Lb1、Lc1)、变流器侧电感(La2、Lb2、Lc2)的正面朝向第二风道内气流方向。
所述阻尼电阻(Ra、Rb、Rc)的底部设有用于支撑的金属支架。
本实施例上述内容具体解释如下。
为电力电子功率器件SKiip-1、SKiip-2、SKiip-3设计一个独立的第一腔体,三个电力电子功率器件SKiip-1、SKiip-2、SKiip-3在该腔体内均匀分布,相隔的间距根据实际风量和腔体体积折中考虑,实际腔体尺寸约为:长*宽*高为150*100*80cm,间距6.5cm。考虑到电力电子功率器件的散热结构为侧向进风,在该第一腔体的两侧和前门下部开有进风口气道如图1所示,并配备防尘罩。在电力电子功率器件腔体上部即机柜顶部开有第一腔体的出风口3,如附图1-3所示,该第一腔体的出风口3的尺寸大致取为根据散热器的横截面积,第一腔体的出风口3尺寸:长*宽为21.5*10cm。电力电子功率器件的散热器置于进风口1和第一腔体的出风口3之间的第一风道内。整个第一风道是从电力电子功率器件腔体的侧面进入离心风机,然后由离心风机进入到散热器下面,通过散热器下面上升到散热器上面,再经由第一风道上部出风口3排出装置。在散热器段的风道下部设有风向强制向上的离心风机,大大加强了该功率散热风道冷却的效果。
主电路无源元件协调统一散热为主电路其他所有的发热无源元件,包括辅助变压器TR1,变流器侧电感La2、Lb2、Lc2,网侧电感La1、Lb1、Lc1,交流滤波电容Ca、Cb、Cc,阻尼电阻Ra、Rb、Rc,直流侧电阻R7、R9设计一个独立的无源元件腔体,三相无源元件在无源元件腔体内均匀分布,相隔的间距根据实际风量和腔体体积折中考虑。实际第二腔体即无源元件腔体体积约为:长*宽*高为150*100*220cm,三相间距约15cm。
第二风道即无源元件风道由装置前门下部的网状进风口1,如附图1所示,经由辅助变压器TR1,网侧电感La1、Lb1、Lc1,再经由变流器侧电感La2、Lb2、Lc2,至交流滤波电容Ca、Cb、Cc和直流侧电阻R7、R9,最后经过阻尼电阻Ra、Rb、Rc至无源元件腔体顶部的腔体出风口2,如图2所示,形成第二风道即无源元件风道。在两扇前门下部分别开有网状进风口,尺寸为:长*宽为60*30cm。第二腔体的出风口2尺寸根据实际所需风量和风机尺寸决定,其圆形横截面积取为:450cm*cm,所有主要发热的无源元件均置于第二风道即无源元件风道内。
辅助变压器TR1占用空间小,且发热相对较小,置于第二风道即无源元件风道最前端风道入口处。
网侧电感La1、Lb1、Lc1放在第二风道即无源元件风道前面,变流器侧电感La2、Lb2、Lc2跟随其后,电感正面朝向进风口。网侧电感与辅助变压器间距10cm,前后电感间距10cm。
交流滤波电容Ca、Ca、Cc置于变流器侧电感La2、Lb2、Lc2之后,电容底部放置高性能隔热板5。隔热板5尺寸:长*宽*高为150*10*2cm。交流滤波电容Ca、Ca、Cc本身发热不是很严重,隔热板5可以阻挡从电感来的热流,防止烤热交流滤波电容Ca、Cb、Cc器,同时起到支撑交流滤波电容Ca、Cb、Cc的目的。
直流侧电阻R7、R9置于交流滤波电容Ca、Cb、Cc之后并固定在风道隔板之上,隔板尺寸:长*宽*高为150*10*100cm。
阻尼电阻Ra、Rb、Rc是发热最为严重的无源元件,将其置于第二风道即无源元件风道的最末端,底部用金属支架托住。
无源元件腔体顶部即机柜顶部安装三台离心式风机,如图2所示,由前门的进风口抽风,经过所有的发热无源元件,再从第二腔体的出风口2排出,利用其热气上升原理,增强了风道效果。
由上述可以看出,功率模块散热和无源元件散热拥有各自独立的风道,且二者的风道出口均位于各自腔体顶部即机柜顶部。在风道进风口1即机柜进风口的入口处设有将机柜隔离成两个分区的隔板,功率模块及控制部件置于其中一个分区内,所有发热无源元件置于另一个分区内。功率模块的分区嵌入到无源元件分区的上部,中间用隔板隔开。隔板为非全隔离型的,隔板上部与两侧为全隔离的,上部直接与机柜顶部相连接,隔板两侧直接与机柜侧面连接,而隔板下部为非隔离的,即不与机柜底板相连,以便于风道的通畅。风道配合如图6所示。
为了验证以上散热设计的合理性,在满载条件下(380V,400A)对三相三线并联型有源电力滤波器进行烤机,在发热散热平衡(温度不变)时的,实际温度数据和设计温度对比如表1所示。
表1装置满载烤机(260kVA)温度记录表
Figure GSA00000005936200061
由表1可见,实际温升显然远远没有达到最高允许温升,这表明采用的根据发热和热敏感元件分离的散热体系结构效果良好,温升有利于系统可靠性和延长元器件寿命。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点,其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施,并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种大功率变流器装置风冷散热结构,其特征在于:在该大功率变流器装置的机柜腔体内设竖向隔板,该竖向隔板将腔体内部空间分隔出第一腔体和第二腔体;第一腔体和第二腔体的顶部分别设出风口,第一腔体和第二腔体的底部分别设进风口,以此形成第一、第二两个散热风道;该大功率变流器装置的电力电子功率器件(SKiip-1、SKiip-2、SKiip-3)和电力电子控制部件设于第一风道内,且电力电子功率器件(SKiip-1、SKiip-2、SKiip-3)和电力电子控制部件沿第一风道的气流方向依次布置;该大功率变流器装置的辅助变压器(TR1)、网侧电感(La1、Lb1、Lc1)、变流器侧电感(La2、Lb2、Lc2)、交流滤波电容(Ca、Cb、Cc)、直流侧电阻(R7、R9)以及阻尼电阻(Ra、Rb、Rc)设于第二风道内,且辅助变压器(TR1)、网侧电感(La1、Lb1、Lc1)、变流器侧电感(La2、Lb2、Lc2)、交流滤波电容(Ca、Cb、Cc)、直流侧电阻(R7、R9)以及阻尼电阻(Ra、Rb、Rc)沿第二风道的气流方向依次布置;所述第一风道和第二风道上均设有风扇。
2.根据权利要求1所述的风冷散热结构,其特征在于:所述竖向隔板的底边与机柜底面之间留有间距,以此在机柜腔体底部形成一连通空间;连通空间的侧面设共用进风口,该共用进风口与第一腔体和第二腔体的进风口连通。
3.根据权利要求2所述的风冷散热结构,其特征在于:所述电力电子功率器件、电力电子控制部件固定于纵向隔板的一侧表面上,所述交流滤波电容(Ca、Ca、Cc)、阻尼电阻(Ra、Rb、Rc)、直流侧电阻(R7、R9)固定于纵向隔板的另一侧表面上,所述辅助变压器(TR1)、网侧电感(La1、Lb1、Lc1)、变流器侧电感(La2、Lb2、Lc2)固定于连通空间内。
4.根据权利要求3所述的风冷散热结构,其特征在于:所述网侧电感(La1、Lb1、Lc1)与辅助变压器(TR1)间距为10cm,与变流器侧电感(La2、Lb2、Lc2)间距为10cm。
5.根据权利要求1所述的风冷散热结构,其特征在于:所述第一风道的风扇为离心风机,它设于第一风道下部;所述第二风道的风扇为离心风机,它设于第二风道的顶部。
6.根据权利要求1所述的风冷散热结构,其特征在于:所述交流滤波电容(Ca、Ca、Cc)底侧设有用于阻挡热流的隔热板。
7.根据权利要求1所述的风冷散热结构,其特征在于:所述网侧电感(La1、Lb1、Lc1)、变流器侧电感(La2、Lb2、Lc2)的正面朝向第二风道内气流方向。
8.根据权利要求1所述的风冷散热结构,其特征在于:所述阻尼电阻(Ra、Rb、Rc)的底部设有用于支撑的金属支架。
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