CN102270926B - 一种车载大功率变流器冷却方法及冷却系统 - Google Patents

Abstract

一种车载大功率变流器冷却方法及冷却系统，采用水风油混合冷却方式对车载变流器装置进行冷却，有机的把水和油两散热介质性能参数相结合，形成高纯水加变压器油的密闭式循环冷却系统，再将水和油两散热介质通过水油风换热器与外界空气进行二次散热；最终由空气将热量带走，实现车载大功率设备的综合散热冷却。由冷却介质为高纯水的变流器功率柜密闭式循环系统、冷却介质为变压器油的变压器密闭式循环系统和水风油混合换热器组成车载水风油混合冷却系统。该系统将水冷系统、油冷系统及水油风换热器的设计有机的结合在一起；实现了高效的车载大功率设备的散热冷却。

Description

一种车载大功率变流器冷却方法及冷却系统

技术领域

本发明涉及一种输配电的辅助作业方法及装置，更具体地说涉及一种用于车载大功率变流器装置使用的冷却方法及系统装置。可广泛运用于移动式柔性输电、融冰电源等车载作业中。

背景技术

在亚热带地区，冬、春季阴湿多雨，其气候、地理条件都易发生架空线路覆冰，对电力系统安全运行威胁甚大。移动式车载融冰电源提供了有效解决方案;大柔性输电系统旨在提高电力系统的高度灵活性和安全稳定性，使得现有输电线路的输送能力大大提高。柔性输电系统的建设，需要选择利用灵活输电系统技术及功率电子设备；移动式车载柔性输电设备提供了有效的解决方案；以上两种方案都是大功率变流器在车载装置上的应用。由于这些设计的特殊性，对电力电子散热技术上提出了新的要求；车载变流器装置的基本组成可分为两个主体：半挂式平板拖车+车载变流器装置；其车体设计中按照国家公路车辆相关标准在高度、宽度及长度方面都有严格规定，并且由于使用区域性，要求其车体必须具备良好的通用性，因此对车体设计的空间性有严格限制；车载变流器的应用性决定了设计向超大功率发展；这就必须保证电力电子器件良好温控性，其冷却散热设计至关重要。因车载装置在空间及使用性方面的严格要求，就必须在提高整机装置的功率密度的同时提高冷却系统的功率密度。

以往的强迫风冷方式对变流器装置主体设备的功率损耗进行强迫风冷散热，或单纯利用水冷却技术，对变流器装置主体设备功率损耗进行水冷散热的方式尚不能满足现有车载大功率变流器的要求；主要存在以下一些不足：

1、采用强迫风冷方式在冷却效率上不能满足大功率设备的散热要求，且占用空间体积较大,功率密度低。

2、单纯的水冷却方式很难满足大功率变流器装置中的综合散热问题，且对运行环境有特殊要求；具有局限性。

因此很有必要对此加以改进。

发明内容

本发明主要目的是提供一种应用于车载大功率变流器冷却系统中，解决现有车载大功率变流器综合散热问题的技术方案；实现了高效的车载大功率设备的综合散热冷却技术方法及系统装置。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：一种车载大功率变流器冷却方法，采用水风油混合冷却方式对车载变流器装置进行冷却，有机的把水和油两散热介质性能参数相结合，形成高纯水加变压器油的密闭式循环冷却系统，再将水和油两散热介质通过水油风换热器与外界空气进行二次散热；最终由空气将热量带走，实现车载大功率设备的综合散热冷却。其中，变流器功率柜散热冷却采用介质为纯水；变压器选择为油浸式变压器，在实现散热的同时必须保证绝缘性能，散热冷却采用介质为变压器油；由冷却介质为高纯水的变流器功率柜密闭式循环系统和冷却介质为变压器油的变压器密闭式循环系统，以及水风油混合换热器组成车载水风油混合冷却系统。该系统将水冷系统、油冷系统及水油风换热器的设计有机的结合在一起；实现了高效的车载大功率设备的散热冷却。

车载水风油混合冷却系统的原理是：由高纯水的变流器功率柜密闭式循环系统和冷却介质为变压器油的变压器密闭式循环系统分别对变流器功率柜需要散热的器件和变压器进行散热，经管路将热量带入水风油混合换热器，然后通过水风油混合换热器进行热交换，并通过风机的强迫风冷将热量排出水风油混合换热器外，实现了高效的车载大功率设备的散热冷却。

根据上述方法所提出的车载大功率设备的综合散热冷却系统装置，采用水风油混合冷却方式对车载变流器装置进行冷却，由冷却介质为高纯水的变流器功率柜密闭式循环系统和冷却介质为变压器油的变压器密闭式循环系统，以及水风油混合换热器组成车载水风油混合冷却系统；高纯水的变流器功率柜密闭式循环系统与变压器油的变压器密闭式循环系统分别与水风油混合换热器组合形成两套冷却循环系统。

所述的高纯水的变流器功率柜密闭式循环系统的构成是：

从内冷却水道输出的载热冷却介质经主循环泵（一用一备）加压后输入到水风油混合换热器，通过间壁散热方式将所载热量传递给外冷却风，冷却后的介质返回内冷却系统，在从内冷却水道中吸收热量后重新输出，如此周而复如，形成闭合循环主冷却回路。由于冷却介质在循环过程中受多种因素影响水质不断下降（电导率上升），为此系统设置离子交换器旁路于主回路运行，离子交换器内装长效免维护离子交换树脂，运行中不断输出超纯去离子水以维持主回路冷却介质的低电导率。为消除闭环回路中冷却介质因温度变化引起体积变化产生的应力，系统中应设置稳压缓冲罐；为防止罐中纯水接触空气氧化污染，缓冲罐中冲入氮气并维持设定的氮气压力。本系统回路中设置完善的自动排气系统、过滤系统及水箱氮气稳压系统，以维持回路中冷却介质佳点工况。电控系统由PLC编程控制器为核心，对系统运行的参数：水压、流量、电阻率、液位、温湿度等信号进行监控，智能态运行，实现人机即时交流。

所述变压器密闭式循环系统的构成是：

从内冷却油道输出的载热冷却介质经主循环泵加压后输入到水风油混合换热器，通过间壁散热方式将所载热量传递给外冷却风，冷却后的介质返回内冷却系统，在从内冷却油道中吸收热量后重新输出，如此周而复如，形成闭合循环主冷却回路。电控系统由PLC编程控制器为核心，对系统运行的参数：水压、流量、液位、温湿度等信号进行监控，智能态运行，实现人机即时交流。

所述的水风油混合换热器的构成是：

换热器可分为三个区域：风机、水风换热仓、油风换热仓。在换热仓内部置有自上而下的盘状铜制管路，该管路贯穿、紧贴安装有栅栏状散热片。所述高纯水密闭式循环系统的进出水口分别置于换热器的下部和上部，当冷空气经风机加压流经过散热片的同时高纯水通过进水口进入靠近风机侧的水风换热仓，水向空气释放热量，完成热交换，冷却后的介质经回水管路流出。所述变压油的密闭式循环系统的进出油口分别置于换热器的下部和上部，当空气（经水换热后，温升≤10℃）经水换热后经风机加压流经过散热片的同时变压油通过进油口进入远离风机侧的油风换热仓，油向空气释放热量，完成第二次热交换，冷却后介质的经回油管路流出。换热器设计中考虑到纯水温度要求比变压器油的温度更低，两种采用划分合理的温度梯度，且不会相互影响。

本发明的特点在于：本专利技术主要是根据水、油、风这三种冷却介质的换热特性与车载大功率变流器装置的冷却散热技术的有机结合，设计开发的车载水风油混合冷却技术及装置，从而保证装置的稳定可靠运行。

车载水风油混合冷却技术及装置具有以下优点：

1）冷却效率高，实现了车载装置高功率密度的冷却设计。

2）根据不同设备的冷却要求，划分合理的温度梯度，便于设备工作正常温控，避免温度的交叉影响。

3）冷却系统独立式工作，无需外部辅助冷却，适用于（-10℃到40℃）的任何环境。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明水风油混合换热器的结构示意图；

图3为本发明水风油混合换热器的结构侧面示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的描述。

通过附图可以看出，本发明涉及一种车载大功率变流器冷却方法，采用水风油混合冷却方式对车载变流器装置进行冷却，有机的把水和油两散热介质性能参数相结合，形成高纯水加变压器油的密闭式循环冷却系统，再将水和油两散热介质通过水油风换热器与外界空气进行二次散热；最终由空气将热量带走，实现车载大功率设备的综合散热冷却。其中，变流器功率柜散热冷却采用介质为纯水；变压器选择为油浸式变压器，在实现散热的同时必须保证绝缘性能，散热冷却采用介质为变压器油；由冷却介质为高纯水的变流器功率柜密闭式循环系统和冷却介质为变压器油的变压器密闭式循环系统，以及水风油混合换热器组成车载水风油混合冷却系统。该系统将水冷系统、油冷系统及水油风换热器的设计有机的结合在一起；实现了高效的车载大功率设备的散热冷却。

车载水风油混合冷却系统的原理是：由高纯水的变流器功率柜密闭式循环系统和冷却介质为变压器油的变压器密闭式循环系统分别对变流器功率柜需要散热的器件和变压器进行散热，经管路将热量带入水风油混合换热器，然后通过水风油混合换热器进行热交换，并通过风机的强迫风冷将热量排出水风油混合换热器外，实现了高效的车载大功率设备的散热冷却。

根据上述方法所提出的车载大功率设备的综合散热冷却系统，采用水风油混合冷却方式对车载变流器装置进行冷却，由冷却介质为高纯水的变流器功率柜密闭式循环系统和冷却介质为变压器油的变压器密闭式循环系统，以及水风油混合换热器组成车载水风油混合冷却系统；高纯水的变流器功率柜密闭式循环系统与变压器油的变压器密闭式循环系统分别与水风油混合换热器组合形成两套冷却循环系统。

所述的高纯水的变流器功率柜密闭式循环系统的构成是：

从内冷却水道输出的载热冷却介质经主循环泵（一用一备）加压后输入到水风油混合换热器，通过间壁散热方式将所载热量传递给外冷却风，冷却后的介质返回内冷却系统，在从内冷却水道中吸收热量后重新输出，如此周而复如，形成闭合循环主冷却回路。由于冷却介质在循环过程中受多种因素影响水质不断下降（电导率上升），为此系统设置离子交换器旁路于主回路运行，离子交换器内装长效免维护离子交换树脂，运行中不断输出超纯去离子水以维持主回路冷却介质的低电导率。为消除闭环回路中冷却介质因温度变化引起体积变化产生的应力，系统中应设置稳压缓冲罐；为防止罐中纯水接触空气氧化污染，缓冲罐中冲入氮气并维持设定的氮气压力。本系统回路中设置完善的自动排气系统、过滤系统及水箱氮气稳压系统，以维持回路中冷却介质佳点工况。电控系统由PLC编程控制器为核心，对系统运行的参数：水压、流量、电阻率、液位、温湿度等信号进行监控，智能态运行，实现人机即时交流。

所述变压器密闭式循环系统的构成是：

从内冷却油道输出的载热冷却介质经主循环泵加压后输入到水风油混合换热器，通过间壁散热方式将所载热量传递给外冷却风，冷却后的介质返回内冷却系统，在从内冷却油道中吸收热量后重新输出，如此周而复如，形成闭合循环主冷却回路。电控系统由PLC编程控制器为核心，对系统运行的参数：水压、流量、液位、温湿度等信号进行监控，智能态运行，实现人机即时交流。

所述的水风油混合换热器的构成是：

换热器可分为三个区域：风机、水风换热仓、油风换热仓。在换热仓内部置有自上而下的盘状铜制管路，该管路贯穿、紧贴安装有栅栏状散热片。所述高纯水密闭式循环系统的进出水口分别置于换热器的下部和上部，当冷空气经风机加压流经过散热片的同时高纯水通过进水口进入靠近风机侧的水风换热仓，水向空气释放热量，完成热交换，冷却后的介质经回水管路流出。所述变压油的密闭式循环系统的进出油口分别置于换热器的下部和上部，当空气（经水换热后，温升≤10℃）经水换热后经风机加压流经过散热片的同时变压油通过进油口进入远离风机侧的油风换热仓，油向空气释放热量，完成第二次热交换，冷却后介质的经回油管路流出。换热器设计中考虑到纯水温度要求比变压器油的温度更低，两种采用划分合理的温度梯度，且不会相互影响。

实施例一

如附图1所示，本发明主要是应用于多种功率耗散设备的综合冷却技术及方法；该系统中主要功耗设备为变流器功率单元（TH）1，电抗器（TD）2 ，变压器（TM）3等，每种功耗设备的散热特性、温度保护值各不相同，在冷却介质及流场布置上必须重点考虑，通过高纯水的变流器功率柜密闭式循环系统和变压器密闭式循环系统对主要功耗设备进行散热。

所述高纯水的变流器功率柜密闭式循环系统的工作原理是：该高纯水冷却系统的动力输出为两台多级离心水泵4和5，采用一用一备的工作方式，在一台发生故障时可自动投切到备用水泵，保证运行的可靠性。通过水泵产生高压的纯水经进水管路6到需进行散热冷却的变流器功率单元1及电抗器2的水冷板式换热器从而带走热量；其连接管路材质为无渗透，且耐高压的PPH材质；设计中还必须考虑多个变流器功率单元及多个电抗器的并联冷却技术，保证同一类型热源的均流性；带有热量的高纯水经出水管路7到水风油热交换器8的水风换热器仓，经风机强迫风冷进行换热。冷却后的高纯水流回水泵，进入下一次的冷却循环。在主水路中并联有去离子支路，根据电导率检测，控制一定流量的纯水流经去离子灌9，通过树脂进行去离子处理后的高纯水，电导率可达到兆欧级；为保障纯水系统长期运行的可靠性，水路中配置了氮气稳压装置10，自动补水装置11，同时还设定了温度传感器12和13，压力传感器14，电导率传感器15；实现水路系统的信号检测及保护功能。

所述变压器密闭式循环系统的工作原理是：该油冷却系统的动力输出为一台油泵16，流体介质为变压器油，经油泵输出的冷却油经进油管路17到变压器3仓体，带走变压器3产生的功耗，经出油管路18到水风油热交换器的油风换热器仓8，经风机强迫风冷进行换热。冷却后的变压器油流回油泵16，进入下一次的冷却循环。在主油路上陪置有油压稳定装置19、瓦斯报警装置20、温度传感器21和22、压力传感器23；实现油路系统的信号检测及保护功能。

所述的水风油混合换热器的构成是：

水风油混合换热器的结构如附图2和3所示；换热器可分为三个区域：风机23、水风换热仓24、油风换热仓25。在换热仓内部置有自上而下的盘状铜制管路，该管路贯穿、紧贴安装有栅栏状散热片。所述高纯水密闭式循环系统的进出水口分别置于换热器的水风换热仓24的下部26和上部27，当冷空气经风机加压流经过散热片的同时高纯水通过进水口进入靠近风机侧的水风换热仓，水向空气释放热量，完成热交换，冷却后的介质经回水管路流出。所述变压油的密闭式循环系统的进出油口分别置于换热器的油风换热仓25的下部28和上部29，当空气经水换热后（温升≤10℃））经风机加压流经过散热片的同时变压油通过进油口进入远离风机侧的油风换热仓，油向空气释放热量，完成第二次热交换，冷却后介质的经回油管路流出。换热器设计中考虑到纯水温度要求比变压器油的温度更低，两种采用划分合理的温度梯度，且不会相互影响。

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，但本发明的具体实现并不受上述方式的限制。只要采用了本发明的构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种车载大功率变流器冷却方法，其特征在于：采用水风油混合冷却方式对车载变流器装置进行冷却，由冷却介质为高纯水的变流器功率柜密闭式循环系统和冷却介质为变压器油的变压器密闭式循环系统，以及水风油混合换热器组成车载水风油混合冷却系统；高纯水的变流器功率柜密闭式循环系统与变压器油的变压器密闭式循环系统分别与水风油混合换热器组合形成两套冷却循环系统；由高纯水的变流器功率柜密闭式循环系统和冷却介质为变压器油的变压器密闭式循环系统分别对变流器功率柜需要散热的器件和变压器进行散热，经管路将热量带入水风油混合换热器，然后通过水风油混合换热器进行热交换，并通过风机的强迫风冷将热量排出水风油混合换热器外；采用水风油混合冷却方式对车载变流器装置进行冷却，有机的把水和油两散热介质性能参数相结合，形成高纯水加变压器油的密闭式循环冷却系统，再将水和油两散热介质通过水油风换热器与外界空气进行二次散热；最终由空气将热量带走，实现车载大功率设备的综合散热冷却；其中：

所述的高纯水的变流器功率柜密闭式循环系统是从内冷却水道输出的载热冷却介质经主循环泵加压后输入到水风油混合换热器，通过间壁散热方式将所载热量传递给外冷却风，冷却后的介质返回内冷却系统，在从内冷却水道中吸收热量后重新输出，形成高纯水的变流器功率柜密闭式循环系统闭合循环主冷却回路；由于冷却介质在循环过程中受多种因素影响水质不断下降，为此高纯水的变流器功率柜密闭式循环系统设置离子交换器旁路于主冷却回路运行，离子交换器内装长效免维护离子交换树脂，运行中不断输出超纯去离子水以维持主主冷却回路冷却介质的低电导率；为消除闭环回路中冷却介质因温度变化引起体积变化产生的应力，高纯水的变流器功率柜密闭式循环系统中应设置稳压缓冲罐；为防止罐中高纯水接触空气氧化污染，缓冲罐中冲入氮气并维持设定的氮气压力；高纯水的变流器功率柜密闭式循环系统回路中设置自动排气系统、过滤系统及水箱氮气稳压系统，以维持回路中冷却介质佳点工况；电控系统以PLC编程控制器为核心，对高纯水的变流器功率柜密闭式循环系统运行的参数：水压、流量、电阻率、液位、温湿度信号进行监控，智能态运行，实现人机即时交流；

所述变压器密闭式循环系统的构成是：从内冷却油道输出的载热冷却介质经主循环泵加压后输入到水风油混合换热器，通过间壁散热方式将所载热量传递给外冷却风，冷却后的介质返回内冷却系统，在从内冷却油道中吸收热量后重新输出，形成变压器密闭式循环系统闭合循环主冷却回路；电控系统以PLC编程控制器为核心，对变压器密闭式循环系统运行的参数：水压、流量、液位、温湿度信号进行监控，智能态运行，实现人机即时交流；

所述的水风油混合换热器的构成是换热器分为三个区域：风机、水风换热仓、油风换热仓；在换热仓内部置有自上而下的盘状铜制管路，该管路贯穿、紧贴安装有栅栏状散热片；所述高纯水的变流器功率柜密闭式循环系统的进出水口分别置于换热器的下部和上部，当冷空气经风机加压流经过散热片的同时高纯水通过进水口进入靠近风机侧的水风换热仓，水向空气释放热量，完成热交换，冷却后的介质经回水管路流出；所述变压器密闭式循环系统的进出油口分别置于换热器的下部和上部，当空气经水换热后，温升≤10℃；经水换热后经风机加压流经过散热片的同时变压油通过进油口进入远离风机侧的油风换热仓，油向空气释放热量，完成第二次热交换，冷却后介质的经回油管路流出。

2. 根据权利要求1所述车载大功率变流器冷却方法的车载大功率变流器冷却系统，其特征在于：采用水风油混合冷却方式对车载变流器装置进行冷却，由冷却介质为高纯水的变流器功率柜密闭式循环系统和冷却介质为变压器油的变压器密闭式循环系统，以及水风油混合换热器组成车载水风油混合冷却系统；高纯水的变流器功率柜密闭式循环系统与变压器油的变压器密闭式循环系统分别与水风油混合换热器组合形成两套冷却循环系统；

所述的高纯水的变流器功率柜密闭式循环系统的构成是从内冷却水道输出的载热冷却介质经主循环泵加压后输入到水风油混合换热器，通过间壁散热方式将所载热量传递给外冷却风，冷却后的介质返回内冷却系统，在从内冷却水道中吸收热量后重新输出，形成高纯水的变流器功率柜密闭式循环系统闭合循环主冷却回路；由于冷却介质在循环过程中受多种因素影响水质不断下降，为此高纯水的变流器功率柜密闭式循环系统设置离子交换器旁路于主冷却回路运行，离子交换器内装长效免维护离子交换树脂，运行中不断输出超纯去离子水以维持主冷却回路冷却介质的低电导率；为消除闭环回路中冷却介质因温度变化引起体积变化产生的应力，高纯水的变流器功率柜密闭式循环系统中应设置稳压缓冲罐；为防止罐中高纯水接触空气氧化污染，缓冲罐中冲入氮气并维持设定的氮气压力；高纯水的变流器功率柜密闭式循环系统回路中设置自动排气系统、过滤系统及水箱氮气稳压系统，以维持回路中冷却介质佳点工况；电控系统由PLC编程控制器为核心，对高纯水的变流器功率柜密闭式循环系统运行的参数：水压、流量、电阻率、液位、温湿度信号进行监控，智能态运行，实现人机即时交流；

所述变压器密闭式循环系统的构成是从内冷却油道输出的载热冷却介质经主循环泵加压后输入到水风油混合换热器，通过间壁散热方式将所载热量传递给外冷却风，冷却后的介质返回内冷却系统，在从内冷却油道中吸收热量后重新输出，形成变压器密闭式循环系统闭合循环主冷却回路；电控系统以PLC编程控制器为核心，对变压器密闭式循环系统运行的参数：水压、流量、液位、温湿度信号进行监控，智能态运行，实现人机即时交流；

所述的水风油混合换热器的构成是换热器分为三个区域：风机、水风换热仓、油风换热仓；在换热仓内部置有自上而下的盘状铜制管路，该管路贯穿、紧贴安装有栅栏状散热片；所述高纯水的变流器功率柜密闭式循环系统的进出水口分别置于换热器的下部和上部，当冷空气经风机加压流经过散热片的同时高纯水通过进水口进入靠近风机侧的水风换热仓，水向空气释放热量，完成热交换，冷却后的介质经回水管路流出；所述变压器密闭式循环系统的进出油口分别置于换热器的下部和上部，当空气经水换热后，温升≤10℃；经水换热后经风机加压流经过散热片的同时变压油通过进油口进入远离风机侧的油风换热仓，油向空气释放热量，完成第二次热交换，冷却后介质的经回油管路流出。

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