CN102006763A - 通过静态技术冷却的电功率转换器 - Google Patents

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Abstract

转换器包括能够参与电流转换的电功率元件(22)和封闭的冷却回路(14)，该冷却回路包括：双相载热流体；贴靠所述电功率元件(22)的第一热交换器(30A、30B、30C、30D)；能够将载热流体(29)的热量排放到冷却回路(14)之外的第二热交换器(38)；和使载热流体在冷却回路(14)中流动的部件。所述第一热交换器包括具有毛细芯的毛细蒸发器，该毛细蒸发器能够保证在毛细芯中建立的弯月面处接受的液态的载热流体(29)完全汽化并将载热流体的液相和汽相分开，并且所述毛细蒸发器能够运送全部气态的载热流体，载热流体在毛细蒸发器中的液/汽界面处产生的压力作用下在冷却回路(14)中流动，以形成毛细泵回路。

Description

通过静态技术冷却的电功率转换器
技术领域
本发明涉及一种电功率转换器(convertisseur)，该转换器包括：
-能够参与电流转换的电功率元件(composant électrique depuissance)；
-封闭的冷却回路，该冷却回路包括：
-双相载热流体；
-贴靠所述电功率元件的第一热交换器；
-能够将载热流体的热量排放到冷却回路之外的第二热交换器；
-使载热流体在冷却回路中流动的部件。
本发明涉及一种通过CPL冷却的电功率转换器，该电功率转换器可以在不同领域中使用，特别是在铁路运输设备——即铁路车辆、能量生产设备、和电力传输设备——中使用。
背景技术
可以把该冷却技术纳入在能量转换部分中的不同设备为中频变压器、风力发动机、水力发动机、涡轮机、牵引箱、电马达、内置的转向架和马达、供电变电站、电池、超电容器、飞轮和辅助电源。
为了给牵引马达供电，铁路车辆需要配备车载电功率转换器。由于功率非常大，应冷却转换器，以排出由转换器的变换器件产生的热量。
目前，通过—回路保证冷却，加有乙二醇的水在该回路中流动。加有乙二醇的水以封闭环路的方式在与变换器件接触的第一交换器和第二空气交换器之间流动。一水力泵保证实施加有乙二醇的水的运动。
尤其是由于泵，这种冷却环路体积较大，并且需要大量维护，这种大量维护也是与存在泵有关，这增加了铁路车辆的经营和养护成本。
发明内容
本发明的目的是提出一种体积较小并且需要较少养护的用于铁路车辆的电功率转换器。
为此，本发明的目标是—种上述类型的电功率转换器，其特征在于，贴靠所述电功率元件的所述第一热交换器包括具有毛细芯的毛细蒸发器，该毛细芯能够保证在毛细芯中建立的弯月面处接受的液态的载热流体完全汽化和使载热流体的液相和汽相分离，并且该毛细芯能够保证运送(renvoyer)完全气态的载热流体，载热流体在毛细蒸发器中的液体/蒸汽界面处产生的压力作用下在冷却回路中流动，以形成毛细泵回路。
根据一些特定的实施方式，电功率转换器包括以下特征中的一个或几个：
-回路没有使载热流体流动的机械泵；
-电功率转换器在毛细蒸发器的上游包括液态的载热流体的增压储存器，并且所述增压储存器位于高于毛细蒸发器之处；
-回路包括至少二个在回路中并联布置的毛细蒸发器；
-能够将载热流体的热量排放到冷却回路之外的第二热交换器包括载热流体/空气交换器；
-回路在能够将载热流体的热量排放到冷却回路之外的第二热交换器的下游包括低温冷却交换器；
-电功率转换器包括控制在毛细蒸发器的上游的冷却流体的压力和/或温度参数的部件；
-控制部件包括调节器，该调节器保证根据电功率元件的温度控制在毛细蒸发器的上游的冷却流体的压力和/或温度；
-控制部件包括调节器，该调节器保证根据在电功率转换器中流动的电功率特征(profil)控制在毛细蒸发器的上游的冷却流体压力和/或温度。
附图说明
通过阅读下面只作为实例给出的并参照附图进行的描述将更好地理解本发明，在附图中：
-图1是根据本发明的车载转换器的立体图；
-图2是图1转换器的冷却环路的示意图；
-图3是为控制根据本发明的转换器而实施的算法的程序框图；
-图4是表明对于一个实例转换器的变换器件在牵引阶段产生的热功率的曲线图；以及
-图5是表示图4所示的牵引阶段电气元件的连接点(jonction)温度曲线。
具体实施方式
在图1中，示出用于铁路车辆的电功率转换器10。该转换器一般装在机车或输送乘客或货物的列车的牵引车中。转换器10在车辆中为牵引链的电马达供电。如已经知道的，转换器10包括这里为四相的换流器12和换流器12的冷却环路14。
换流器能够把例如来自吊线悬挂式电缆的直流电转换为具有相关变阻功能的三相电流。
因此，换流器包括这里由一金属板构成的直流输入母线16和四个功率传导条18A、18B、18C、18D，每个条对应于换流器的一个相位和变阻功能。这四个条的端部装配有输出连接端子20A、20B、20C、20D。
在母线16与每个功率条18A、18B、18C、18D之间布置有四个并联安装的半导体变换器件22。这些器件22的每一个都形成一带有绝缘栅双极型晶体管(以“Isulated Gate Bipolar Transisitor”的英文首字母缩写“IGBT”公知)。
沿着功率条布置一点火卡24，该点火卡包括用于控制变换器件22的线路组件(ensemble de circuit)26，变换器件22使直流母线16与功率条18A、18B、18C、18D选择性连接。点火卡24设有用于接受操纵指令的连接器27。
另外，一电容滤波器(filtre capacitif)28位于变换器件22的旁边，并且以公知的方式连接。
图2中示意地示出的冷却环路14保证散发由变换器件22产生的热量，并且保证使这些变换器件的连接点温度保持在基本恒定的值。
冷却环路构成没有任何电器控制机械泵的毛细泵回路。冷却流体例如为甲醇。
为此，与从直流母线16给同一功率条供电的每一组变换器件相关，回路14包括贴靠每个变换器件的交换表面的毛细蒸发器30A、30B、30C、30D。这些毛细蒸发器构成能够将由变换器件产生的热量转移到回路14中的第一热交换器。
这些毛细蒸发器30A、30B、30C、30D并联安装，并且竖直布置，以在它们的上部接受在回路14中流动的呈液相的冷却流体，并且在它们的下端部产生同一流体的蒸汽。
因此，在回路14中流动的冷却流体是双相流体，该双相流体仅在线路的某些部分中是液体形式，而仅在线路的其它部分是蒸汽形式。
四个毛细蒸发器30A、30B、30C、30D从它们的上端部通过四个隔绝体34与同一冷却流体双相增压储存器32连接，隔绝体34能够阻止蒸汽向储存器返回，例如在由太强注入热功率导致的蒸发器停止运行的情况下。
储存器装有位于储存器32的顶部的可控制除气阀32A和通常关闭的充填孔32B。
四个毛细蒸发器的下蒸汽出口汇合为供给冷凝级(étage decondensation)38的入口的蒸汽传递管道36。
该冷凝级包括能够保证来自毛细蒸发器的蒸汽与周围介质之间热交换的主冷凝器40。为此，冷凝器40具有与周围大气接触的侧向散热片。
冷凝级38在主冷凝器40的下游包括低温冷却交换器(échangeur desous-refroissement)42，该低温冷却交换器能够冷凝偶然地可能不会在主冷凝器40中完全冷凝的蒸汽。
冷凝级38的出口通过输送液态的冷却流体的管道44与储存器32连接。
储存器32位于毛细蒸发器30A、30B、30C、30D的竖直线上，冷却流体从储存器倾析出，以通过负压和重力泵送提供给毛细蒸发器。
储存器32具有上部有气顶的液相。
为了保证调节变换器件22的连接点温度，储存器32装有与中央控制装置50连接的加热和冷却部件。
因此，加热电阻52位于储存器32的气顶中，以保证加热。同样，风扇54与储存器相对，以保证储存器的冷却。
通过控制装置50操纵电阻52和风扇54，控制装置50与测量由马达消耗的电功率的传感器56连接，该消耗的电功率例如由驾驶员操控的铁路车辆的加速操作器确定。
同样，装置50与测量变换器件22的连接点温度的传感器58连接。
最后，与装置50连接的压力传感器59A和温度传感器59B布置在储存器32的气顶中。
装置50与阀门32A连接，以便对阀门进行控制。
装置50能够实施如图3中示意地示出的算法。
毛细蒸发器30A、30B、30C、30D构成毛细泵，该毛细泵能够在入口接受液态的冷却流体并在出口输出该只呈汽相的流体。
如图3所示，毛细蒸发器由除其入口和出口外封闭的储存器形成。毛细蒸发器的形状为平行六面体，变换器件22贴靠在该毛细蒸发器的一表面上。
一毛细芯60设置在储存器的内部，并且在蒸发器内限定接受液态的冷却流体的内室62和输出汽态的冷却流体的周边室64。这二个室62和64被毛细芯完全分开，使得内室62中仅存在液体，而周边室64中仅存在蒸汽，液相和汽相这两个相完全分开。因此冷却流体以径向方式从内室62向外室64流动。
每个毛细蒸发器保证液态的冷却流体在由变换器件产生的热量的作用下转换为蒸汽。这些毛细蒸发器保证在封闭的环路14中的泵作用。
毛细蒸发器30A、30B、30C、30D中的蒸汽压力的增加导致流体流动。蒸汽压力的增加产生在弯月面处，液体在该弯月面处完全汽化。这些弯月面在毛细芯中形成，液体在毛细芯处非常迅速地加热并完全汽化。
弯月面处的汽化在几乎恒定的温度下进行。压力的增加与流体的表面张力成正比，而与弯月面的等效半径成反比。
因此在每个蒸发器中的流体流量不断地自我调节，以便在每个蒸发器的出口只有纯蒸汽。
应了解的是，这样在形成泵的毛细蒸发器处运动的冷却流体成为汽相，并被带动流动直到蒸发装置38，在该蒸发装置中热量散发到大气中，从而导致冷却流体液化，该冷却流体通过负压被重新吸入到储存器32，毛细蒸发器30A至30D在储存器32中吸入冷却流体。
在转换器运行过程中，控制装置50实施图3中所示的算法，从而特别是保证调节冷却流体的温度。
在阶段102，测量由铁路车辆消耗的电功率，而在阶段104检测电功率的变化。如果电功率增加，则在阶段106由电阻52加热储存器32。因此，液态的冷却流体的汽化温度增加，从而改善蒸发器30A至30D中的热性能。
相反，如果由转换器提供的电功率降低，储存器32在阶段108由风扇54冷却，以降低储存器32中液态的流体的汽化温度，这降低毛细蒸发器的热性能。
在从传感器58检测出极端温度的情况下，控制装置50还能够控制储存器32的加热，以提高蒸发器中的散热性能。
最后，装置50在时间进程中验证储存器内载热流体的纯度。为此，装置50由传感器59A和59B测量储存器中的温度Tsat和压力Psat。另外，装置50由模型化产生的公式计算理论温度Tsatth。如果理论温度Tsatth与测量出的温度Tsat不同，则阀32A被作动以除气，这样可以将储存器的气顶中存在的不可冷凝物排出。如果Tsatth等于测量出的Tsat，则冷却流体被认为是纯的，具有符合要求的精度，并且对冷却回路没有干预。该回路可以更长时间保留系统的良好性能。
为了补偿冷却流体的损失，定期通过孔32B将液体引入到回路中。
循环进行上面描述的阶段。
因此，应了解的是，冷却回路的运行温度受双相增压储存器32控制。对该储存器进行热控制，以保证控制它的汽化温度，这样就可以控制蒸发器中的热性能。
在这些条件下，以良好的精度控制整定温度——即变换器件的连接点温度，而无论回路在蒸发器处承受的功率变化如何。
图4示出由电转换器在一牵引周期提供的电功率周期的实例。在该图中，车辆的速度用虚线表示，而消耗的功率用实线表示。牵引周期包括加速阶段、速度保持阶段和制动阶段。
图5表示变换器件的连接点温度曲线。该图显示连接点温度比较稳定而消耗的电能有非常大的变化。
在变型中，冷却回路不是由储存器32中的流体的饱和温度控制，而是由流体的饱和压力控制。在这些条件下，储存器32装有压缩机和能够改变储存器中气顶压力的空气阀。该压缩机与控制装置50连接，以便对其进行控制。
另外应了解的是，储存器32和毛细蒸发器30A至30D竖直对齐——其中储存器位于毛细蒸发器之上，允许由于重力作用排出毛细芯内形成的可能的蒸汽泡。隔绝体34防止汽相直接从蒸发器到储存器。
已经参照铁路车辆进行了描述，但转换器可以用于任何类型的装置中，尤其是可以用于包括电能发生器和如上所述的转换器的能量生产设备中，或用于包括能量输送网和所述的转换器的能量传递设备中。

Claims (12)

1.电功率转换器(10)，该电功率转换器包括：
-能够参与电流转换的电功率元件(22)；
-封闭的冷却回路(14)，该冷却回路包括：
-双相载热流体；
-贴靠所述电功率元件(22)的第一热交换器(30A、30B、30C、30D)；
-能够将载热流体(29)的热量排放到所述冷却回路(14)之外的第二热交换器(38)；
-使载热流体在冷却回路(14)中流动的部件(30A、30B、30C、30D)；
其特征在于，贴靠所述电功率元件(22)的所述第一热交换器(30A、30B、30C、30D)包括具有毛细芯(60)的毛细蒸发器(30A、30B、30C、30D)，所述毛细蒸发器能够保证从冷却流体输送管道(44)接受的液态的载热流体(29)完全汽化，完全汽化发生在所述毛细芯(60)中建立的弯月面处并将载热流体的液相和汽相分开，并且所述毛细蒸发器能够通过供应给所述第二热交换器(38)的入口的蒸汽输送管道(36)运送完全呈气态的载热流体，载热流体在所述毛细蒸发器(30A、30B、30C、30D)中的液/汽界面处产生的压力作用下在所述冷却回路(14)中流动，以形成毛细泵回路。
2.根据权利要求1所述的电功率转换器，其特征在于，所述冷却回路(14)没有使载热流体流动的机械泵。
3.根据权利要求1或2所述的电功率转换器，其特征在于，所述电功率转换器在所述毛细蒸发器(30A、30B、30C、30D)的上游包括液态的载热流体的增压储存器(32)，并且所述增压储存器(32)位于高于所述毛细蒸发器(30A、30B、30C、30D)之处。
4.根据上述权利要求中任一项所述的电功率转换器，其特征在于，所述冷却回路(14)包括至少二个在所述冷却回路(14)中并联布置的毛细蒸发器(30A、30B、30C、30D)。
5.根据上述权利要求中任一项所述的电功率转换器，其特征在于，能够将载热流体的热量排放到所述冷却回路之外的所述第二热交换器包括载热流体/空气交换器(38)。
6.根据上述权利要求中任一项所述的电功率转换器，其特征在于，所述冷却回路(14)在能够将载热流体的热量排放到所述冷却回路之外的所述第二热交换器(38)的下游包括低温冷却交换器(42)。
7.根据上述权利要求中任一项所述的电功率转换器，其特征在于，所述电功率转换器包括控制在所述毛细蒸发器(30A、30B、30C、30D)的上游的冷却流体的压力参数和/或温度参数的控制部件(50、52、54)。
8.根据权利要求7所述的电功率转换器，其特征在于，所述控制部件包括调节器(50)，该调节器保证根据所述电功率元件(22)的温度控制在所述毛细蒸发器的上游的冷却流体的压力和/或温度。
9.根据权利要求7或8所述的电功率转换器，其特征在于，所述控制部件包括调节器(50)，该调节器保证根据电功率转换器中流动的电功率特征控制在所述毛细蒸发器的上游的冷却流体的压力和/或温度。
10.具有牵引链的铁路车辆，所述铁路车辆包括电马达和根据上述权利要求中任一项所述的电功率转换器(10)。
11.能量生产设备，其特征在于，所述能量生产设备包括电能发生器和根据权利要求1至9中任一项所述的电功率转换器。
12.能量传递设备，其特征在于，所述能量传递设备包括能量输送网和根据权利要求1至9中任一项所述的电功率转换器。
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