CN101968509A

CN101968509A - 大功率变流器的电力电子器件能量损耗的测量方法

Info

Publication number: CN101968509A
Application number: CN 201010275375
Authority: CN
Inventors: 乌云翔; 邵诗逸
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-09-07
Filing date: 2010-09-07
Publication date: 2011-02-09

Abstract

一种新型的大功率变流器电力电子器件的能量损耗测量方法。为了防止器件产生的能耗以热量的方式泄漏到周围空气中，本发明在传统的测量方法基础上增加了具有隔热作用的腔体，通过控制腔内的空气温度，使其尽量接近腔体外部温度，以降低腔体热量散发到空气中的程度，由此器件绝大部分的热泄露的能耗被保留在腔体内部。当腔体达到热平衡时，残留在腔体内部的热量最终将被冷却流体带出，这种测量方法极大地降低了器件的热泄漏的程度，提高了器件的能量损耗测量的准确性。本发明提供的能量损耗测量方法有效地提高了器件能耗测量的准确度，给变流器的设计开发带来了准确度更高更可靠的设计依据，对于变流器设计的优化具有较大意义。

Description

大功率变流器的电力电子器件能量损耗的测量方法

技术领域：

本发明涉及一种大功率变流器电力电子器件能量损耗的测量方法。电力电子器件的能量损耗对于大功率变流器的影响包括输出功率、硬件设计以及冷却等多个方面。因此，变流器电力电子器件的能量损耗测量是变流器设计开发所需要的重要依据。

背景技术：

大功率变流器具有广阔的应用背景，已经成为多个产业中的核心设备之一。变流器的核心部件是大功率电力电子器件(绝缘栅双极性三极管IGBT和功率二极管Diode)，变流器的主要功能由电力电子器件的开关实现。

电力电子器件在导通和开关过程中会形成能量损耗，损耗的能量主要以热量的方式散发出来。器件的能量损耗与变流器的热特性直接相关。电力电子器件的能量损耗情况是确定变流器的整个安全保护系统的重要因素，在模块的散热沟、冷却以及整个腔体的具体设计上更需要充分考虑变流器器件的能量损耗。因此准确量化电力电子器件的能量损耗是变流器设计的必要步骤。

目前电力电子器件的能量损耗量化方法主要包括波形计算法以及实际测量法。波形计算法是根据测量的电力电子器件的开关波形，结合器件生产商提供的相关技术参数，估测出电力电子器件的能耗。但是由于器件参数具有不确定性，非实时状态下测量的开关波形与在实际工作条件的器件开关波形，客观上存在差异。因此单纯的波形计算法得出的器件能耗通常不能作为变流器的设计依据。实际测量法是实时实地直接的器件能耗测量方式。这种方法不仅可以作为波形计算法的验证补充，还可以独立提供器件能耗的量化数据。实际测量法已经成为变流器设计中的一个必需步骤。

传统的变流器电力电子器件的测量方法如图1所示，该方法主要在于测量流过被测器件(1)所连接的散热沟(2)的流体的进口和出口的温度差，同时根据冷却流体的流量(5)，利用流体温度差和流量的信息得出电力电子器件的能耗。

器件能耗与流体温度差以及流量的关系为：

P_loss＝(T_inlet-T_outlet)·C_p·J_w

P_loss为器件能量损耗，T_inlet和T_outlet分别为流体进口以及出口的温度，C_p为冷却流体比热容，J_w为流体的流量。

上述传统的电力电子器件能耗的测量方法基于一个假设，即器件的所有能耗最终完全被冷却流体带出，因此测量冷却流体的温度差和流量可以得出器件的能量损耗值。然而在实际情况中，器件的能耗不完全能被冷却流体所带出，其中一部分作为热量散发到了周围的空气中，因此影响了该测量方法的准确性。

本发明提供了一种改进的电力电子器件能量损耗测量方法，弥补了现有方法在这一方面的不足，有效地提高变流器器件能耗测量的准确性。

发明内容

本发明的目的是：给出了一种新型的变流器电力电子器件的能量损耗测量方法，这种方法有效消除了由于能量损耗的部分热泄漏所造成的测量误差，有效提高了变流器电力电子器件的能耗测量的准确性。

为达到上述目的，本发明的构思是：在原有的测量平台基础上增加一个腔体结构，该结构可以有效地降低器件损耗的热泄露程度。本发明通过控制腔内的空气温度，使其尽量接近腔体外部温度，以降低腔体热量散发到空气中的程度。从而，使器件绝大部分的热泄露的能耗保留在腔体内部，当腔体达到热平衡时，残留在腔体内部的热量最终将被冷却流体带出，提高了器件的能量损耗测量的准确性。

根据上述的发明构思，本发明的技术方案如下：

如图2所示，本发明在传统的器件测量方案的基础上增加了一个外围的腔体结构，腔体结构由隔热材料组成，可以有效地隔绝腔体内外的热泄露，腔体的隔热材料特性及其厚度决定了腔体的热传导特性，从而可以推出腔体的等效热电阻R_{Th_Chamber}。

整个测量方案的控制器将根据实测腔体外环境温度控制腔体内的制热/制冷器，尽量降低腔体内外的温度差异。本测量方案中由于热泄露而产生的测量误差为：

P_{error} = \frac{T_{diff}}{R_{Th_Chamber}}

当腔内外的温度差距T_diff越小时，测量误差越小，控制器将尽量降低温度误差把测量误差降低到合理范围内。通常建议测量误差的合理范围在总体器件损耗的0.5％(5瓦)之内。

控制器在控制腔内温度降低热泄露的同时，对流量、流体进入和流出温度进行测量监测。此外，为了减去制冷/制热器的对腔内所造成的额外损耗，变流器对输入制冷/制热器的电源进行监测以获得电源的输出功率P_hc，并在整体损耗中剥离。最终控制器可以得出最终器件损耗如下，

P_loss＝(T_inlet-T_outlet)·C_p·J_w-P_hc

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

·降低了由于热泄露造成的器件能量损耗的测量误差。

附图说明

图1是普通能量损耗测量方法的基本原理图

图2是本发明的改进能量损耗测量方法的基本原理图。

图3是本发明的改进能耗测量方法的实现原理图。

图4是本发明的改进能耗测量方法的系统结构图

图中1.被测器件，2.散热沟，3.流体进口温度测量，4.流体出口温度测量，5.流量测量，6.腔体，7.加热/制冷器，8.电源，9.控制器，10.腔外气体温度测量，11.直流功率计，12.腔内温度测量

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

本发明的实施方案如图3所示，相比起如图1所示的传统方案，本发明额外安装了一个以隔热材料构成的腔体，以限制器件损耗对于周围空气的热传导和热辐射。

本发明在腔体外部将安装一个温度测量探头，实时测量腔体外环境温度，温度测量的方案以PT100热敏电阻及其典型测量电路构成。腔体外环境温度的测量主要是为了控制腔体内外的温度差P_error，尽量降低器件测量损耗由于热泄露所造成的测量误差。实际控制温度的执行器采用通用的珀尔帖(Peltier)制热/制冷器。珀尔帖(Peltier)制热/制冷器以正负直流电压驱动，当电压改变极性时，珀尔帖(Peltier)的加热制冷模式完成相互转换。

如图3所示，本实施方案的控制器负责对冷却流体的输入温度、输出温度以及流量进行采样，温度测量的方案已PT100热敏电阻以及其典型测量电路构成。获得以上的数据之后，控制器根据技术方案给出的公式计算得出器件损耗。由于测量采样带来的噪声误差以及加热/制冷器所造成的环境空气温度的波动，本实施方案将在系统达到热平衡条件之后再进行数据的测量。为了平均噪声测量误差，本发明将每隔一个固定的时间周期(10分钟)对采样获得测量数据进行平均计算。本发明中会有一个通用的直流功率计对输入珀尔帖(Peltier)的加热/制冷器的电功率P_hc进行测量，测量数据也会以同样的时间周期(10分钟)进行平均计算。由于需要系统等待热平衡的形成以及长时间对数据的采样平均要求，本发明给出的测量方法相比普通的测量方法时间较长，需要4到6小时左右。

本实施方案中，控制器会对冷却流体的流量进行监测。当冷却流体的流量发生异常时，表示系统很可能产生冷却流体的泄露，控制器会产生报错信息并且关闭功率开关，中止测试。

Claims

1.变流器电力电子器件的能量损耗测量方法，其特征在于：

限制了被测器件传导辐射至空气中的热量，保证绝大多数的电力电子器件能耗最终由冷却流体带出，提高了通过现有能耗测量方法的准确性。

2.按照权利要求1变流器电力电子器件的能量损耗测量方法，其特征在于：

通过隔热材料构成的腔体限制了被测器件至空气中的热传导和热辐射，并且通过控制腔体内外的温度差异，从而降低了热泄露所造成的被测器件能损测量误差。