CN101795055A

CN101795055A - 用于变流器的冷却装置和冷却方法以及变流器

Info

Publication number: CN101795055A
Application number: CN 201010144463
Authority: CN
Inventors: 吴佳梁; 曾赣生
Original assignee: Sany Electric Co Ltd
Current assignee: Sany Electric Co Ltd; Sany Electric Co Ltd Japan
Priority date: 2010-04-08
Filing date: 2010-04-08
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2030-04-08
Also published as: CN101795055B

Abstract

本发明涉及一种用于变流器的冷却装置，其包括：设置在变流器的外部的空调组件；设置在变流器上的水冷组件；以及设置在变流器中的风扇制冷组件，其将外界空气引入到所述变流器中。

Description

用于变流器的冷却装置和冷却方法以及变流器

技术领域

本发明涉及一种用于变流器的冷却装置以及冷却方法，此外本发明还涉及一种具有这样的冷却装置的变流器。

背景技术

在风力发电机用变流器(或变频器)工作时，会产生能量损耗，从而产生发热现象。变流器主电路器件，如绝缘栅极型功率管(IGBT)，电抗器，变压器等，在工作时会产生大量的热量。一般情况下，采用back to back电路拓扑，IGBT作为开关器件，IGBT的损耗会占流过变流器系统能量的3％，整流侧的电抗器损耗约占3％。因而，变流器内部有大量热量需要及时交换到外界环境中去。

风能资源一般分布在环境相对恶劣的地区。比如，中国的新疆、内蒙、东北地区。然而这些地区的风沙大，气候严寒。当然在沿海地区也具有丰富的风力资源，但是这些地区的盐雾对风力设备的腐蚀现象也非常严重。因此，变流器的防护等级越高，环境适应性越好。但是，密闭的柜体给变流器的冷却散热带来困难。

目前，变流器冷却散热方式有水冷和风冷两种方式。首先是风冷方式，其通常使用过滤网。然而在系统长时间运行无论如何都会在设备中滞留大量灰尘，影响器件寿命(如接触器)，降低系统可靠性。另外，单纯风冷或水冷在环境温度变化范围较大时，效果不好，比如环境温度超高45℃，变流器内部环境温度会在45℃以上。温度对变流器内部的电子元器件、电气部件寿命影响较大。比如，电解电容，一般在25℃附近工作时，器件寿命最长。但是，随着温度的升高，器件寿命会逐渐降低，当温度达到45℃时，寿命成倍减少。再比如，开关电源的寿命，随温度升高，寿命和可靠性都减小。

另一种方案是水冷方式。水冷用于对变流器内部的、诸如像IGBT等功率模块的主电路功率芯片套件进行冷却，变流器内部通过热交换装置，进行水-风热交换。这种方案可以实现变流器内外空气隔绝，增强环境适应性。但是，同风冷一样，当环境温度较高时，变流器内部温度会更高一些。同样对变流器系统的可靠性和寿命影响较大。

发明内容

鉴于现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提出一种用于变流器的冷却装置。根据本发明的冷却装置采用空调冷却和水冷以及风冷相结合的方式，可有效、精确控制变流器内部温度、湿度，变流器内部温度不受环境影响，提高系统的可靠性、延长温度敏感元件的使用寿命，此外本发明还涉及一种冷却方法以及一种具有这样的冷却装置的变流器。

本发明的目的通过一种用于变流器的冷却装置实现。该冷却装置包括：设置在变流器的外部的空调组件；设置在变流器上的水冷组件；以及设置在变流器中的风扇制冷组件，其将外界空气引入到所述变流器中。由此，通过应用本发明的技术方案，可以一方面通过空调来精确地调节变流器内部的空气的温度、湿度，并且也进一步通过水冷冷却的方式对易受到外界环境影响的主电路功率芯片(如，IGBT)进行制冷，同时又应用了风冷冷却组件，对一些其他大功率散热器件进行降温。

在本发明的优选的设计方案中提出，在变流器中设置有第一防尘隔热层、第二防尘隔热层以及第三防尘隔热层，这些防尘隔热层将变流器分隔成第一器件室、第二器件室、第三器件室、第四器件室以及第五器件室。通过设置这些防尘隔热层可以使变流器内部完全与外界环境隔离，防止受到外界环境的影响，同时也防止各器件室中的热量传递到相邻的器件室中。

根据本发明的优选的设计方案，空调组件的出风口通入到第一器件室中，来自空调组件的制冷空气对第一器件室进行温度和湿度调节。由此，在外界环境的温度和湿度发生剧烈变化时，也能有效地将第一器件室内部的温度和湿度控制在允许的工作范围之内，从而延长变流器的使用寿命。

在本发明的一个优选的设计方案中提出，水冷组件设置在第一器件室中，其中水冷组件的第一冷却板贴附在第一器件室中的主电路功率芯片上，通过这种设计方案可以有效地排导主电路功率芯片产生的热量，降低芯片的温度，确保变流器在高温时也能正常工作。

根据本发明的一个优选的设计方案，第三器件室与第一器件室相通，其中，空调组件的冷风经过第一器件室之后进入第三器件室中，然后返回第一器件室，并通过第一器件室的排风口排放到外界环境中。这样，空调组件就可以附加地第三器件室进行温度和湿度调节，从而保证第三器件室中的器件的正常工作。

同时，在本发明中提出，当在第二器件室中设置的器件对外部环境的影响并不敏感时，这是非常有利的，即在第二器件室上设置有第一排风扇和进风扇，通过进风扇抽吸的外部环境的空气对第二器件室中行风冷冷却后，通过第一排风扇排放到外界环境中。

在本发明的一个设计方案中，即也可以通过水冷方式来代替通过风冷方式对第二器件室进行冷却。这是因为，当在第二器件室设置有对温度敏感的器件，例如主电路功率芯片套件时，通过水冷的方式能够更好地对其进行冷却。这由此实现，即在第二器件室中设置有贴附在主电路功率芯片套件上的第二冷却板，并且第二冷却板与水冷循环套件连接。通过这种设计方案可以进一步地降低外界环境对变流器的消极影响，有效地排导变流器产生的热量，降低变流器的温度。

此外，当在第四器件室中布置的器件对外界环境的影响并不敏感时，可以通过风冷的方式对其进行制冷。这由此实现，即在第四器件室中设置有第二排风扇和第二进风口，来自外界的空气从第二进风口进入第四器件室的内部，对第四器件室进行风冷冷却，然后通过第二排风扇排放到外界环境中。

根据本发明的一个优选的设计方案，在第一排风扇、进风扇、第二排风扇以及第二进风口上分别设置有防尘过滤网，从而在很大程度上防止来自外界环境的灰尘进入到变流器中。

在本发明的一个设计方案中，可选地也可以通过水冷方式来代替通过风冷方式第四器件室中的器件进行冷却。这是因为，当在第四器件室设置有对温度敏感的器件，例如主电路功率芯片套件时，通过水冷的方式能够更好地对其进行冷却。这由此实现，即在第四器件室中设置有贴附在主电路功率芯片套件上的第三冷却板，第三冷却板与水冷循环套件连接，通过这种设计方案可以进一步地降低外界环境对变流器的消极影响，有效地排导变流器产生的热量，降低电抗器的温度。

在本发明的一个优选的设计方案中提出，第一防尘隔热层、第二防尘隔热层以及第三防尘隔热层由上、下镀锌板构成，并且在上、下镀锌板之间填充有隔热材料。当然，也可以使用其他类型的防尘隔热设备，以有效地减少外界环境的消极影响，并且降低各个室体之间的热交换。

此外，本发明还涉及一种具有上述类型的冷却装置的变流器，这种类型的变流器尤其应用在风力发电设备中。这种类型的变流器能够良好地排导其内部产生的热量，并且能够使其内部的温度和湿度尽可能地控制在额定的工作范围之内，从而有效地延长变流器内部的电气部件和电子元器件的寿命，提高变流器系统的稳定性和可靠性。

最后，本发明还涉及一种冷却方法，其中，通过防尘隔热层将所述变流器分隔成多个器件室，其中，该方法包括以下步骤：

a)利用空调组件(1)对一个或多个器件室进行湿度和温度调节；

b)利用水冷组件对设置在一个或多个器件室中的主电路功率芯片进行水冷冷却，其中水冷组件的水冷却板贴附在主电路功率芯片上；

c)利用所述风扇制冷组件对未经过空调组件进行湿度和温度调节的、其余的一个或多个器件室中的器件进行风冷冷却。

应该理解，以上的一般性描述和以下的详细描述都是列举和说明性质的，目的是为了对要求保护的本发明提供进一步的说明。

附图说明

接下来基于本发明的一个优选设计方案并参照附图对本发明详细说明。图中示出：

图1是根据本发明的变流器的示意图；

图2是根据本发明的变流器的功率柜的截面图；

图3是根据本发明的变流器的并网柜的截面图；

图4是并网柜的第三器件室和部分功率柜的截面图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的变流器的示意图。从图1中可见，该变流器由功率柜16和并网柜17构成，其中，在功率柜中设置有第一防尘隔热层7，该第一防尘隔热层7将功率柜分隔成第一器件室18和第二器件室19。在本实施例中，第一防尘隔热层7由上、下镀锌板构成，并且在上、下镀锌板之间填充有隔热材料，从而使第一器件室18与外界环境完全隔开，并且防止外界环境中的灰尘进入其中，同时也防止第二器件室19的热量进入到第一器件室18中。

空调组件1安装在功率柜16的背侧，并且在功率柜16上开设有第一进风口，空调组件1的出风口与第一进风口相通，来自空调组件的冷风通过第一进风口进入第一器件室18，从而精确地控制第一器件室18中的温度和湿度，同时也与设置在第一器件室18中的主电路功率芯片套件2进行热交换，并带走一部分热量。在附图中以箭头示出了风的走向。

同时，在主电路功率芯片套件2的下方还贴附有第一冷却板3，并且该冷却板与设置在变流器外部的水冷循环套件连接(未在图中示出)。这样，温度较低的水从水冷循环套件流入第一冷却板3，第一冷却板3带走主电路功率芯片套件2散发的热量，热交换后的水又再次流回水冷循环套件，并在冷却之后再次流入第一冷却板3，从而形成冷却循环。

图2是根据本发明的变流器的功率柜的截面图，其中，在第一器件室18的下部是第二器件室19，其通过第一防尘隔热层7与第一器件室18隔开。从图中可以看到，在第二器件室19上设置有第一排风扇5和进风扇8。通过进风扇8鼓入来自外界环境的空气，该空气流经第二器件室19中的电抗器，带走该电抗器产生的热量，并随后通过第一排风扇5排放到外界环境中。为了尽可能减少外界环境中的灰尘进入到第二器件室19中，在第一排风扇5和进风扇8上分别设置有过滤网，出于简洁的目的，在图中并未示出该过滤网。

图3示出了根据本发明的变流器的并网柜的截面图。从图中可见，第二防尘隔热层14和第三防尘隔热层15将并网柜17分隔成第三器件室20、第四器件室21和第五器件室22。在本实施例中，第二防尘隔热层14和第三防尘隔热层15与第一防尘隔热层7具有相同的结构，采用相同的材料制造。这样，第四器件室21中的电抗器产生的热量就不会传导到第三器件室20和第五器件室22中，并且也使第三器件室20与外界环境完全隔离开来。

在图3中还可以看到，在第四器件室21的上方设置有第二排风扇13，并且在第四器件室21的底部设置有第二进风口23，来自外界的空气从第二进风口23进入第四器件室21的内部，并流经第四器件室21的电抗器，带走该电抗器产生的热量，并最后通过第二排风扇13排放到外界环境中。同样，在第二排风扇13和第二进风口23上设置有过滤网，该过滤网同样未在图中示出。

图4示出了并网柜的第一器件室18和第三器件室20的截面图。从图中可见，第一器件室18和第三器件室20相通。图中的箭头示出了来自空调组件1的冷风的走向。冷风首先进入第一器件室18，对第一器件室18中的温度和湿度进行调整并对其中的主电路功率芯片套件2进行冷却之后，进入到第三器件室20中，并在对第三器件室17进行湿度和温度调整之后，返回到第一器件室，随后通过所述第一器件室的排风口排放到外界环境中。如此循环，以达到给UPS6降温的目的。

在实际的应用中，在各个器件室中都有可能设置有对外界环境的温度敏感以及对散热有较高要求的器件，例如设置在第一器件室中的主电路功率套件，因此，也可以附加地采用水冷的方式对上述器件进行水冷冷却。但是，尽管本文中已经示出和描述了具体的实施例，但本领域技术人员应该理解，在不背离本发明的范围的情况下，各种替换和/或等同实现都可以替代所示和所描述的这些具体实施例。本申请旨在覆盖任何改变和本文中所讨论的各种具体实施例。因此，本发明仅由权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种用于变流器的冷却装置，其特征在于，所述冷却装置包括：空调组件(1)，用于调节所述变流器内部的温度和湿度；水冷组件，用于进行水冷冷却；以及风扇制冷组件，用于将外界空气引入到所述变流器中。

2.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，在所述变流器中设置有第一防尘隔热层(7)，将所述变流器分隔成第一器件室(18)和第二器件室(19)。

3.根据权利要求2所述的冷却装置，其特征在于，所述空调组件(1)的出风口通入到所述第一器件室(18)中，来自所述空调组件的制冷空气对所述第一器件室(18)进行温度和湿度调节。

4.根据权利要求3所述的冷却装置，其特征在于，所述水冷组件设置在所述第一器件室(18)中，其中，所述水冷组件的第一冷却板(3)贴附在所述第一器件室(18)中的主电路功率芯片上，从而对所述主电路功率芯片进行水冷冷却。

5.根据权利要求2所述的冷却装置，其特征在于，在所述第二器件室(19)上设置有第一排风扇(5)和进风扇(8)，通过所述进风扇(8)抽吸的外部环境的空气对所述第二器件室(19)进行风冷冷却后，通过所述第一排风扇(5)排放到外界环境中。

6.根据权利要求5所述的冷却装置，其特征在于，所述第二器件室(19)中设置有贴附在处于所述第二器件室(19)中的主电路功率芯片套件上的第二冷却板，所述的第二冷却板与所述水冷组件的水冷循环套件连接。

7.根据权利要求2所述的冷却装置，其特征在于，在所述变流器中设置有第二防尘隔热层(14)，将所述变流器分隔出第三器件室(20)和第四器件室(21)。

8.根据权利要求7所述的冷却装置，其特征在于，所述第三器件室(20)与所述第一器件室(18)相通，其中，所述空调组件(1)的冷风经过所述第一器件室(18)之后进入所述第三器件室(20)中，然后返回所述第一器件室(18)，并通过所述第一器件室(18)的排风口排放到外界环境中。

9.根据权利要求2所述的冷却装置，其特征在于，在所述变流器中设置还有第三防尘隔热层(15)，将所述变流器进一步分隔出第五器件室(22)，其中所述第三防尘隔热层(15)处于所述第四器件室(21)和所述第五器件室(22)之间。

10.根据权利要求9所述的冷却装置，其特征在于，在所述第四器件室(21)中设置有第二排风扇(13)和第二进风口(23)，来自外界的空气从所述第二进风口(23)进入所述第四器件室(21)的内部，对所述第四器件室(21)进行风冷冷却，然后通过所述第二排风扇(13)排放到外界环境中。

11.根据权利要求10所述的冷却装置，其特征在于，在所述第四器件室(21)中设置有贴附在处于所述第四器件室中的主电路功率芯片套件上的第三冷却板，所述第三冷却板与所述水冷组件的水冷循环套件连接。

12.根据权利要求2、7和9中任一项所述的冷却装置，其特征在于，所述第一防尘隔热层(7)、所述第二防尘隔热层(14)以及所述第三防尘隔热层(15)由上、下镀锌板构成，并且在所述上、下镀锌板之间填充有隔热材料。

13.根据权利要求5和10中任一项所述的冷却装置，其特征在于，在所述第一排风扇(5)、所述进风扇(8)、所述第二排风扇(13)以及所述第二进风口上分别设置有防尘过滤网。

14.一种用于风力发电设备的、具有根据权利要求1至13中任一项所述的冷却装置的变流器。

15.一种对变流器进行制冷的方法，其中，通过防尘隔热层将所述变流器分隔成多个器件室，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

b)利用水冷组件对设置在一个或多个所述器件室中的主电路功率芯片进行水冷冷却，其中所述水冷组件的水冷却板贴附在主电路功率芯片上；

c)利用所述风扇制冷组件对未经过所述空调组件进行湿度和温度调节的、其余的一个或多个器件室中的器件进行风冷冷却。