CN102957301A - 具有空气冷却系统的变流装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种变流装置（1），具有：壳体（2）；至少一个布置在壳体（2）中的电容器（3）；用于产生冷却气流（5）的通风装置（4）；和布置在壳体（2）中的第一电力电子组件（6），其中，第一电力电子组件（6）沿冷却气流（5）的方向布置在至少一个电容器（3）和通风装置（4）之间，第一电力电子组件（6）相对于通风装置（4）这样定位，即第一电力电子组件只被第一部分气流（7）冷却，和其中，设置用于冷却至少一个电容器（3）的第二部分气流（8）通过布置在壳体（2）中的第一通道（9）这样从第一电力电子组件（6）旁边流过，即第二部分气流（8）与第一电力电子组件（6）之间隔热。

Description

具有空气冷却系统的变流装置
技术领域
本发明涉及一种具有空气冷却系统的变流装置（Umrichteranordnung）。
这种变流装置具有：壳体；至少一个布置在壳体中的电容器；通风装置；和布置在壳体中的第一电力电子组件。
背景技术
由空气冷却的变流器是普遍已知的，并且常见的变流器具有：逆变器；中间电路电容器；以及整流器。铺设轨道体现为在三个变流元件之间的电连接。
由DE10153748A1已知了一种通过通风装置单元冷却的、具有中间电路电容器电池和功率模块的整流器单元。利用金属片使安装框架成为一个完整的冷却通道，并且电容器电池和功率模块彼此相对地分别布置在一个在两侧上都可以装配部件的冷却装置的一侧上。
发明内容
本发明的目的在于，实现一种冷却效果更好的变流装置。
该目的通过根据权利要求1所述的变流装置来实现，这种变流装置具有：壳体；至少一个布置在壳体中的电容器；用于产生冷却气流的通风装置；和布置在壳体中的第一电力电子组件，其中，第一电力电子组件沿冷却气流的方向布置在至少一个电容器和通风装置之间，第一电力电子组件相对于通风装置这样定位，即第一电力电子组件只被冷却气流的第一部分气流冷却，和其中，设置用于冷却至少一个电容器的、冷却气流的第二部分气流通过布置在壳体中的第一通道这样从第一电力电子组件旁边流过，即第一部分气流与第一电力电子组件之间隔热。
电力电子组件这一概念在这种情况下以及在整个文件中，既包括电力电子半导体构件、特别是大功率半导体或半导体开关，又包括设置用于可能对其进行冷却的冷却体。
将冷却气流分为第一部分气流和第二部分气流允许了，可以通过冷却气流的仍然处于低温状态的第一部分气流来对电力电子组件进行冷却。
冷却气流的第二部分气流通过以下方式为至少一个电容器供给仍然处于低温状态的冷却空气，即第二部分气流借助于第一通道与第一电力电子组件之间隔热并且因而尚未升温。
然后，尽管至少一个电容器沿冷却气流的方向布置在第一电力电子组件后面，第一电力电子组件和至少一个电容器还是通过仍然处于低温状态的冷却空气得到冷却。
由于电力电子组件会产生损耗热量，而温度过高会缩短电容器的使用寿命，因此根据本发明的变流装置与背景技术中所述的变流装置相比，特别是在使用寿命和最高环境温度方面具有优势。另外，电流负荷能力更高也是一项优点。
根据本发明的变流装置的其它有利的设计方案由从属权利要求2至11中得出。
在本发明的一个有利的设计方案中，设置用于冷却第一电力电子组件的第一部分气流通过布置在壳体中的第二通道这样从至少一个电容器旁边流过，即该第一部分气流与至少一个电容器之间隔热。
第一部分气流流过第一电力电子组件后升温，并沿冷却气流的方向在第一电力电子组件之后这样从至少一个电容器旁边流过，即为至少一个电容器供给仍然保持低温状态的冷却空气。
在本发明的一种有利的设计方案中，额外配备第二电力电子组件，其沿冷却气流的方向布置在至少一个电容器之后。
这种设计方案还具有用于使两个部分气流汇合的装置，其中，两个汇合的部分气流设置用于冷却第二电力电子组件。
这些装置可以布置在结构的壳体之内，使两个通道沿冷却气流的方向在至少一个电容器后面合并。这些装置可以由此实现，即两个部分气流从不同的通道中流出，并流入一个共同的通道，而该通道可以沿冷却气流的方向逐渐变窄。这些装置尤其可以是金属片形式的，用于输送部分气流。
按照这种设计方案，沿冷却气流的方向首先布置了通风装置，随后是第一电力电子组件，然后是至少一个电容器，以及最后是第二电力电子组件。通过这种设计方案，可以形成一种直接的、直线形的电气轨道，作为上述三个沿电流方向的电气单元之间的连接，并且可以避免形成电气轨道环线。直接的、直线形的电气轨道意味着减少铺轨费用，并且具有可以节省材料的特殊优势。由于相对高昂的成本，特别是铜质轨道，减少铺轨费用就可以明显节省成本。另一个优点是，可以利用仍然新鲜的冷却空气来冷却至少一个电容器以及第一电力电子组件。
在一种有利的设计方案中，变流装置可以是电压中间电路变流器，由于冷却效果得到改善，该变流器能够在更高的环境温度下运行。
按照另一种有利的设计方案，第一电力电子组件可以是逆变器，而至少一个电容器可以是电压中间电路电容器。特别是可以为逆变器配备半导体构件、尤其是大功率半导体或半导体开关，例如IGBT或其它晶体管，以及空转二极管。电容器例如可以设计为电解电容、双层电容或类似物。
在本发明的有利设计方案中，第二电力电子组件设计为整流器。特别是这个整流器可以设计为带有二极管的桥式整流器。同时，特别有利的是，与带有大功率半导体的逆变器相比，带有二极管的桥式整流器产生的损耗热量较少，并且因而所需的冷却功率也较少。所以可以使用通过沿冷却气流的方向布置在前面的电气单元已经预加热的冷却气体来冷却整流器。还可以考虑使用配备了半导体构件、尤其是大功率半导体或半导体开关，例如IGBT或其它晶体管以及空转二极管的、可以进行四象限运算的整流器。
除此之外，根据另一种有利的实施方式的变流装置具有制动单元。该制动单元包括制动斩波器和至少一个制动电阻。例如，至少一个制动电阻可以沿冷却气流的方向布置在至少一个电容器之后。另外，可以只通过部分气流之一、同时通过两个部分气流或通过一个与第二部分气流平行的第三部分气流来冷却至少一个制动电阻。
在本发明的一种有利的设计方案中，第一电力电子组件包括多个半导体构件和一个设置用于对半导体构件进行冷却的冷却体。
半导体构件非常良好地适用于电力电子设备，其中，可以通过冷却体来改进半导体构件中所产生的损耗热量的排出效率。
根据本发明的另一种有利的设计方案，冷却体相对于冷却气流这样布置，即第一部分气流流过冷却体。在此，第二部分气流通过第一通道这样从冷却体旁边流过，即第二部分气流与冷却体之间隔热。
利用这种设计方案可以通过冷却体对第一电力电子组件进行良好的冷却，同时可以通过与第一电力电子组件之间隔热的第二部分气流为至少一个电容器供给新鲜的冷却空气。
在本发明的一种有利的设计方案中，壳体包括至少一个壳体部件，该壳体部件具有：至少一个用于导入第二部分气流的流入开口；和用于导出第二部分气流的流出开口，并且壳体部件在至少一个电容器与壳体部件之间形成冷却空气隙的条件下至少部分地包围至少一个电容器。
第二部分气流通过流入开口涌入壳体部件中，通过壳体部件沿着冷却空气隙从至少一个电容器旁边流过，以进行冷却，并且最后通过流出开口离开壳体部件。利用这个壳体部件可以对至少一个电容器进行良好的冷却，并且同时可以使第二部分气流与第一部分气流之间隔热。
根据本发明的另一种有利的设计方案，至少一个电容器与多个电容器一起沿冷却气流的方向分多排布置。在此，壳体部件分别这样至少部分地包围一排电容器，即在各排电容器之间形成第二通道，第一部分气流通过该第二通道从电容器旁边流过。
通过沿冷却气流的方向将电容器分多排布置，使第二通道具有有利的流动特性，其中，同时也确保了通过第二部分气流对电容器的冷却。
第二部分气流流过的第一通道尤其可以由变流装置的壳体和一个限制第一电力电子组件的冷却体的壳体元件构成。例如，壳体元件可以将来自通风装置的冷却气流至少分成第一部分气流和第二部分气流。
附图说明
以下借助附图中示出的实施例对本发明详细描述和说明。其中：
图1示出根据本发明的变流装置的原理示意图，
图2示出根据本发明的变流装置的第一实施方式，
图3示出根据本发明的变流装置的另一实施方式的电路图，
图4示出根据本发明的变流装置的第一实施方式的截面图，
图5示出根据本发明的变流装置的第一实施方式的另一截面图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的、具有第一电力电子组件6和电容器3的变流装置的原理示意图。通风装置4产生冷却气流5，其中，将电容器3沿冷却气流5的方向布置在第一电力电子组件6的后面。
这样对第一电力电子组件6进行定位，使其只被冷却气流5的第一部分气流7冷却。冷却气流5的第二部分气流8冷却电容器3。另外，第二部分气流8沿第一通道9这样从第一电力电子组件6旁边流过，即第二部分气流与第一电力电子组件之间隔热。
图2中示出根据本发明的变流装置的第一实施方式，其中，两个相邻布置的通风装置4产生冷却气流5。沿冷却气流5的方向，在壳体2内首先布置第一电力电子组件6，然后是电容器3和其它电容器27，并且最后是第二电力电子组件11。第一电力电子组件6包括图中能看到的冷却体和未示出的半导体构件。
冷却气流5分为第一部分气流7和第二部分气流8，其中，第一部分气流7冷却第一电力电子组件6，而第二部分气流8冷却电容器3和其它电容器27。
第二部分气流8首先穿过作为旁路的第一通道9从第一电力电子组件6旁边流过，由于这条旁路起到了隔热作用，因此第二部分气流不会吸收由第一电力电子组件6产生的热量。然后，第二部分气流8冷却电容器3和其它电容器27，并因此而升温。
第一部分气流7首先冷却第一电力电子组件6并因此而升温。然后，第一部分电流穿过作为另一条旁路的第二通道10从电容器3和其它电容器27旁边流过，其中，电容器3和其它电容器27与第一部分气流7之间隔热，不会因此而升温。
用于使两个部分气流7和8汇合的装置12在该实施方式中这样设计，即第二通道10中的第一部分气流7沿冷却气流5的方向流动，直到第二通道的尽头，并且第一部分气流7与对电容器3和其它电容器27进行冷却的第二部分气流8汇合。此外，用于使两个部分气流7和8汇合的装置12使两个汇合之后的部分气流7和8在其中进行运动的通道逐渐变窄。最后，两个汇合之后的部分气流7和8冷却第二电力电子组件11。
图3中示出根据本发明的变流装置的另一实施方式的电路图，此处的变流装置设计为电压中间电路变流器。电源一侧的三相电流首先通过整流器16的整流器二极管28进行整流，并且为电压中间电路电容器15供电。中间电路电压在逆变器14中借助于晶体管29和空转二极管30被转换为三相交流电压，例如用于为用电器M供电。
这种布置具有制动单元17，该制动单元位于电压中间电路电容器15和逆变器14之间。制动单元17通过制动斩波器18和制动电阻19将电压中间电路电容器15的两极连接。
图4示出根据本发明的变流装置的第一实施方式的截面图。冷却体31的作用是对第一电力电子组件6进行冷却，并且朝向下方以壳体元件20作为界限，该壳体元件将来自通风装置4的冷却气流5分成第一部分气流7和第二部分气流8两个部分。第一部分气流7在壳体元件20上方流过冷却体，并将第一电力电子组件6中产生的损耗热量排出。
第二部分气流8在壳体元件20下方在第一通道9中从第一电力电子组件6旁边流过。在此，壳体元件20将第二部分气流8与第一电力电子组件6之间隔热，并且第二部分气流流过用于将第二部分气流8导入壳体部件23中的流入开口24，该壳体部件至少部分地包围电容器3和其它电容器27。
图5中示出根据本发明的变流装置的第一实施方式的另一截面图。
第二部分气流8通过用于导入第二部分气流8的流入开口24涌入壳体部件23中，并通过用于导出第二部分气流8的流出开口25流出。电容器3和其它电容器27沿部分气流7，8的方向分多排布置，其中，每排的结构相同。为了使图5更加直观，隐去了一排电容器3，27。壳体部件23部分地包围电容器3和其它电容器27，其中，留出一个冷却空气隙26，第二部分气流8流过该冷却空气隙。冷却空气隙26可以设计为锥形的，以便于更好地将来自于用于导入第二部分气流8的流入开口24的新鲜空气从四面吹向（Umspulung）圆柱形的电容器3，27。
第一部分气流7流过第一电力电子组件6的冷却体31。然后第一部分气流7在第二通道10中沿壳体部件23传输，其中，第二通道10通过相邻两排电容器3，27的壳体部件23限定边界。在此，第一部分气流7与电容器3和其它电容器27之间隔热。

Claims (11)

1.一种变流装置（1），具有：
-壳体（2）；
-至少一个布置在所述壳体（2）中的电容器（3）；
-用于产生冷却气流（5）的通风装置（4）；和
-布置在所述壳体（2）中的第一电力电子组件（6），
-其中，所述第一电力电子组件（6）沿所述冷却气流（5）的方向布置在至少一个所述电容器（3）和所述通风装置（4）之间，
-所述第一电力电子组件（6）相对于所述通风装置（4）这样定位，即所述第一电力电子组件只被第一部分气流（7）冷却，和
-其中，设置用于冷却至少一个所述电容器（3）的第二部分气流（8）通过布置在所述壳体（2）中的第一通道（9）这样从所述第一电力电子组件（6）旁边流过，即所述第二部分气流（8）与所述第一电力电子组件（6）之间隔热。
2.根据权利要求1所述的变流装置（1），其中，设置用于冷却所述第一电力电子组件（6）的所述第一部分气流（7）通过布置在所述壳体（2）中的第二通道（10）这样从至少一个所述电容器（3）旁边流过，即所述第一部分气流（7）与至少一个所述电容器（3）之间隔热。
3.根据权利要求1或2所述的变流装置（1），具有：
-沿所述冷却气流（5）的方向布置在至少一个所述电容器（3）后面的第二电力电子组件（11），和
-用于使两个部分气流（7，8）汇合的装置（12），其中，两个汇合的部分气流（7，8）设置用于冷却所述第二电力电子组件（11）。
4.根据前述权利要求中任一项所述的变流装置（1），其中，所述变流装置（1）是电压中间电路变流器（13）。
5.根据前述权利要求中任一项所述的变流装置（1），其中，所述第一电力电子组件（6）是逆变器（14），并且至少一个所述电容器（3）是电压中间电路电容器（15）。
6.根据权利要求3所述的变流装置（1），其中，所述第二电力电子组件（11）是整流器（16）。
7.根据前述权利要求中任一项所述的变流装置（1），
-具有包括制动斩波器（18）和至少一个制动电阻（19）的制动单元（17）；
-其中，至少一个所述制动电阻（19）通过至少一个部分气流（7，8）冷却。
8.根据前述权利要求中任一项所述的变流装置（1），其中，所述第一电力电子组件（6）包括多个半导体构件和一个设置用于对所述半导体构件进行冷却的冷却体（31）。
9.根据权利要求8所述的变流装置（1），其中，所述冷却体（31）相对于所述冷却气流（5）这样布置，即第一部分气流（7）流过所述冷却体，并且所述第二部分气流（8）通过所述第一通道（9）这样从所述冷却体（31）旁边流过，即所述第二部分气流（8）与所述冷却体（31）之间隔热。
10.根据前述权利要求中任一项所述的变流装置（1），其中，所述壳体（2）包括至少一个壳体部件（23），所述壳体部件具有：至少一个用于导入所述第二部分气流（8）的流入开口（24）；和用于导出所述第二部分气流（8）的流出开口（25），并且所述壳体部件在至少一个所述电容器（3）与所述壳体部件（23）之间形成冷却空气隙（26）的条件下至少部分地包围至少一个所述电容器（3）。
11.根据权利要求10所述的变流装置（1），其中，至少一个所述电容器（3）与多个电容器（27）一起沿所述冷却气流（5）的方向分多排布置，其中，所述壳体部件（23）分别这样至少部分地包围一排电容器，即在各排电容器之间形成所述第二通道（10），所述第一部分气流（7）通过所述第二通道从所述电容器（3，27）旁边流过。
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