CN103023034A - 采用水冷技术的有源电力滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种采用水冷技术的有源电力滤波器，其特征在于：包括有源电力滤波器的元件柜和相连接的冷却柜，功率器件IGBT、电阻、高频电抗器、水冷板、元件柜水空热交换器及水泵安装于元件柜内，冷却柜水水热交换器或冷却柜水空热交换器安装于冷却柜内，元件柜内的有源电力滤波器的功率器件IGBT和电阻固定于水冷板上，通过功率器件IGBT和电阻的基板面与水冷板的表面接触进行换热，水冷板和元件柜水空热交换器又经水泵与冷却柜水水热交换器或冷却柜水空热交换器连接，构成水冷板和元件柜水空热交换器与冷却柜水水热交换器或冷却柜水空热交换器所组成的密闭水循环冷却系统。本发明实现了有源电力滤波器的防爆设计。
Description
技术领域
本发明涉及一种有源电力滤波器，特别是公开一种采用水冷技术的有源电力滤波器，属于电力工程领域。
背景技术
由于各种非线性用电负载，如变频器、整流装置、电弧炉、高压直流输电用变流器等的增加，电网的谐波污染、功率因数下降、电压不对称、供电中断、电压波动和闪变等问题越来越突出。
中国机械工业出版社《谐波抑制和无功补偿》（ISBN 7-111-06298-1/TM.728）第7章介绍了用于低压供电电网的有源电力滤波器。有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行快速补偿。利用电力电子装置产生对应的谐波电流注入供电电网来抵消非线性负载产生的谐波电流，从而阻止谐波电流流入电网，避免电网电压畸变，根据需要，有源电力滤波器还能实现无功补偿功能。
参见附图1，现有的有源电力滤波器的典型应用接线图，其中虚框内为有源电力滤波器。
参见附图2，各点的电流波形。ila为A相的负载电流波形，由于非线性负载的作用，负载电流波形有畸变，含有谐波成分。Ifa为有源电力滤波器输出的A相电流波形。Isa为经过有源电力滤波器补偿后，电网侧A向电流波形，基本接近正弦波。
常规的有源电力滤波器电压等级多为380V，690V。
参见附图3，有源电力滤波器主要包含IGBT逆变桥3、直流环节的储能电容4、高频电抗器、控制电路、缓启动电路2、熔丝1、高频滤波电路5、柜体和冷却等组成部分。
参见附图4，由于其中的IGBT 8、电阻9和高频电抗器7均为发热元件，为保证器件正常工作，整个装置需要散热，传统的有源电力滤波器采用强迫风冷的方式，通过风机6，利用空气流动将热量带到柜体外。
然而，在煤矿井下、化工现场等有防爆要求的场合，强迫空冷的散热方式无法使用。由于强迫风冷会导致环境中的易燃易爆气体进入装置内部，造成装置内部的带电元件无法与环境隔离，不能满足现场防爆的安全要求。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种可实现内部带电元件和环境易燃易爆气体完全隔离的有源电力滤波器。本发明的有源电力滤波器采用水冷技术，除了可应用于防爆场合外，也可应用于现场环境粉尘或导电颗粒较多的场合，提高了有源电力滤波器的使用寿命，降低了故障率。
本发明是这样实现的：一种采用水冷技术的有源电力滤波器，其特征在于：包括有源电力滤波器的元件柜和相连接的冷却柜，功率器件IGBT、电阻、高频电抗器、水冷板、元件柜水空热交换器及水泵安装于元件柜内，冷却柜水水热交换器或冷却柜水空热交换器安装于冷却柜内，元件柜内的有源电力滤波器的功率器件IGBT和电阻固定于水冷板上，通过功率器件IGBT和电阻的基板面与水冷板的表面接触进行换热，水冷板和元件柜水空热交换器又经水泵与冷却柜水水热交换器或冷却柜水空热交换器连接，构成水冷板和元件柜水空热交换器与冷却柜水水热交换器或冷却柜水空热交换器组成密闭的水循环冷却系统。
所述的有源电力滤波器元件柜内热量传导至内部循环水，经升温后的内部循环水通过冷却柜水水热交换器利用外循环水将热量带走或通过冷却柜水空热交换器将热量发散到外部空气中。
所述的有源电力滤波器冷却柜设有防爆形式或非防爆形式，防爆形式的冷却柜放置于危险区使用，非防爆形式的冷却柜放置于安全区使用。
所述的元件柜内的高频电抗器采用水冷电抗器或风冷电抗器。
本发明采用水冷技术的有源电力滤波器将功率器件IGBT、电阻、高频电抗器、水泵、水冷板、元件柜水空热交换器安装与一面柜体内，命名为元件柜，将冷却柜水水热交换器或冷却柜水空热交换器安装于一面柜体内命名为冷却柜。
由于有源电力滤波器的元件柜含有电气元件，当应用于危险区时需要防爆设计，本发明的密闭式循环水冷却系统为实现元件柜防爆设计提供了基础。所述的冷却柜内的热交换器形式分为冷却柜水水热交换器或冷却柜水空热交换器，使用时二者选一即可。所述的冷却柜安装冷却柜水空热交换器时，内部循环水通过冷却柜水空热交换器与外部空气进行换热，需要设置风机通风，通风的风机选为防爆型风机，此方案的冷却柜设计为防爆形式，放置于危险区使用；若通风风机选为非防爆型风机时，冷却柜设计为非防爆式，放置于安全区使用。
本发明的有益效果是：本发明有源电力滤波器的电气元件所产生的热量传导至内部循环水，内部循环水与冷却柜内水空热交换器或冷却柜水水热交换器进行换热，从而将内部循环水的热量传导至外部冷却介质，达到降低内部循环水温度的效果，满足了稳定运行的要求，实现了有源电力滤波器的防爆设计，解决了有源电力滤波器内部带电元件和环境易燃易爆气体完全隔离的问题。
附图说明
图1 是现有有源电力滤波器的典型应用接线图。
图2 是现有有源电力滤波器补偿效果波形图。
图3 是现有有源电力滤波器电气结构图。
图4 是现有有源电力滤波器散热方案结构示意图。
图5 是本发明采用冷却柜水水热交换器的换热工作流程示意图。
图6 是本发明采用冷却柜水水热交换器的结构示意图。
图7 是本发明采用冷却柜水空热交换器的换热工作流程示意图。
图8 是本发明采用冷却柜水空热交换器的结构示意图。
图9 是本发明的元件柜采用水冷电抗器的换热工作流程示意图。
图10 是本发明的元件柜采用水冷电抗器的结构示意图。
在图中：1、熔丝； 2、缓启动电路； 3、IGBT逆变桥； 4、储能电容； 5、高频滤波电路； 6、风机； 7、高频电抗器； 8、功率器件IGBT； 9、电阻； 10、水泵； 11、水冷板； 12、元件柜水空热交换器； 13、冷却柜水水热交换器； 14、元件柜； 15、冷却柜； 16、冷却柜水空热交换器； 17、水冷电抗器； 18、水管。
具体实施方式
根据附图5～8，本发明一种采用水冷技术的有源电力滤波器，包括有源电力滤波器的元件柜14和相连接的冷却柜15，功率器件IGBT 8、电阻9、高频电抗器7、水冷板11、元件柜水空热交换器12及水泵10安装于元件柜14内，冷却柜水水热交换器13或冷却柜水空热交换器16安装于冷却柜15内，元件柜14内的有源电力滤波器的功率器件IGBT 8和电阻9固定于水冷板11上，通过功率器件IGBT 8和电阻9的基板面与水冷板11的表面接触进行换热，水冷板11和元件柜水空热交换器12又经水泵10与冷却柜水水热交换器13或冷却柜水空热交换器16连接，构成水冷板11和元件柜水空热交换器12与冷却柜水水热交换器13或冷却柜水空热交换器16所组成的密闭水循环冷却系统。
实施例1：
根据附图5，本发明的密闭式水循环冷却系统的水泵10将功率器件IGBT 8和电阻9的热量传导至水冷板11内部的水中，元件柜内空气热量传导至元件柜水空热交换器12的水中，水冷板11内部的水和元件柜水空热交换器12的水流向水泵10，水泵10加压使水循环至冷却柜水水热交换器13，冷却柜水水热交换器13与外部冷却介质对流进行换热，经过换热冷却后的水继续循环至水冷板11和元件柜水空热交换器12，冷却功率器件IGBT 8、电阻9及其他发热电气元件。本发明的密闭式循环水冷却形式为防爆设计的实施提供了基础。
根据附图6，本发明中功率器件IGBT 8、电阻9、水泵10、水冷板11、元件柜水空热交换器12、高频电抗器7安装于元件柜14内。元件柜14设计为防爆形式，冷却柜水水热交换器13安装于冷却柜15内，冷却柜15设计为防爆形式。此方案的元件柜14与冷却柜15均为防爆形式，可放置于危险区使用。如冷却柜15设计为非防爆形式，而元件柜14为防爆设计，则元件柜14可放置于危险区使用，冷却柜15放置于安全区使用。
功率器件IGBT 8和电阻9的热量传导至水冷板11的内部循环水中，高频电抗器7的热量散发至元件柜14中，元件柜14的空气热量传导至元件柜水空热交换器12的内部循环水中，水冷板11的内部循环水和元件柜水空热交换器12的内部循环水流向水泵10，经水泵10加压使内部循环水流至冷却柜水水热交换器13通过水管18与外部冷却介质相连接，进行换热，从而将内部循环水的热量传导至外部冷却介质，达到降低内部循环水温度的效果，使有源电力滤波器满足温度运行的要求。冷却柜水水热交换器13无电气元件，安装于冷却柜15中，冷却柜15设计为防爆形式，可与元件柜14放置于危险区使用。如冷却柜15设计为非防爆形式，则需将冷却柜15放置于安全区使用，将水管路从安全区连接至危险区的元件柜14的水管路进出接口，实现水路循环，达到散热目的。
实施例2：
根据图7，本发明由水泵10、水冷板11、元件柜水空热交换器12、冷却柜水空热交换器16组成密闭式水循环冷却系统。密闭式水循环冷却系统的水泵10将功率器件IGBT 8和电阻9的热量传导至水冷板11内部的水中，柜内空气热量传导至元件柜水空热交换器12的水中，水冷板11内部的水和元件柜水空热交换器12的水流向水泵10，水泵10加压使水循环至冷却柜水空热交换器16，冷却柜水空热交换器16与外部冷却介质对流进行换热，经过换热冷却后的水继续循环至水冷板11和元件柜水空热交换器12，冷却功率器件IGBT 8、电阻9及其他发热电气元件。
根据附图8，本实施例中功率器件IGBT 8、电阻9、水泵10、水冷板11、元件柜水空热交换器12、高频电抗器7安装于元件柜14内，元件柜14设计为防爆形式。冷却柜水空热交换器16安装于冷却柜15内，冷却柜水空热交换器16的风机采用防爆型风机，此实施例中冷却柜15设计为防爆形式，可与元件柜14放置于危险区使用。如冷却柜水空交换器16的风机采用非防爆型风机时，冷却柜15设计为非防爆形式，放置于安全区使用。而元件柜14仍为防爆设计，可放置于危险区使用。
功率器件IGBT 8和电阻9的热量传导至水冷板11的内部循环水中，高频电抗器7的热量散发至元件柜14中，元件柜14的空气热量传导至元件柜水空热交换器12的内部循环水中，水冷板11的内部循环水和元件柜水空热交换器12的内部循环水流向水泵10，经水泵10加压使内部循环水流至冷却柜水空热交换器16与外部冷却介质进行换热，从而将内部循环水的热量传导至外部冷却介质，达到降低内部循环水温度的效果，使所述有源电力滤波器满足温度运行的要求。冷却柜水空热交换器16含有散热风机，散热风机可采用防爆形式安装于冷却柜15中，冷却柜15设计为防爆形式，可与元件柜14放置于危险区使用。散热风机采用非防爆形式时，冷却柜15设计为非防爆形式，将冷却柜15放置于安全区使用，将水管路从安全区连接至危险区元件柜14的水管路进出接口，实现水路循环，使散热风机与外部空气进行换热，达到散热目的。
实施例3：
根据附图9，本发明包括水泵10、水冷板11、元件柜水空热交换器12和水冷电抗器17组成密闭式水循环冷却系统的元件柜。密闭式水循环冷却系统的水泵10将功率器件IGBT 8和电阻9的热量传导至水冷板11内部的水中，水冷电抗器17将热量传导至内部循环水中，元件柜内空气热量传导至元件柜水空热交换器12的水中，水冷板11内部的水、元件柜水空热交换器12和水冷电抗器17内的水流向水泵10，水泵10加压使水循环至外部冷却器进行散热，经过散热冷却后的水继续循环至水冷板11、元件柜水空热交换器12和水冷电抗器17，冷却功率器件IGBT 8、电阻9、水冷电抗器17以及其他发热电气元件。
根据附图10，本实施例中功率器件IGBT 8、电阻9、水泵10、水冷板11、元件柜水空热交换器12、水冷电抗器17安装于元件柜14内，元件柜14设计为防爆形式，可放置于危险区与实施例1、实施例2中的冷却柜配套使用。
功率器件IGBT 8和电阻9的热量传导至水冷板11的内部循环水中，水冷电抗器17的热量传导至内部循环水中，元件柜14的空气热量传导至元件柜水空热交换器12的内部循环水中，内部循环流向水泵10，经水泵10加压使内部循环水流至外部设置的冷却柜中与外部冷却介质进行换热，达到降低内部循环水温度的效果，使有源电力滤波器满足温度运行的要求。
元件柜14采用水冷电抗器17时，其柜内散发的热量有所降低，元件柜水空热交换器12根据元件柜内发热情况，作为选件配置，元件柜内散发的热量高时，配置元件柜水空热交换器12，元件柜内散发的热量低时，可取消元件柜水空热交换器12的设置。
本发明在上述换热过程中，有源电力滤波器内部带电元件均没有与危险区环境中的物质接触，实现了有源电力滤波器的防爆设计，解决了有源电力滤波器内部带电元件和环境易燃易爆气体不能完全隔离的问题。
Claims (8)
1.一种采用水冷技术的有源电力滤波器，其特征在于：包括有源电力滤波器的元件柜和相连接的冷却柜，功率器件IGBT、电阻、高频电抗器、水冷板、元件柜水空热交换器及水泵安装于元件柜内，冷却柜水水热交换器或冷却柜水空热交换器安装于冷却柜内，元件柜内的有源电力滤波器的功率器件IGBT和电阻固定于水冷板上，通过功率器件IGBT和电阻的基板面与水冷板的表面接触进行换热，水冷板和元件柜水空热交换器，通过水泵与冷却柜水水热交换器或冷却柜水空热交换器连接，构成水冷板和元件柜水空热交换器与冷却柜水水热交换器或冷却柜水空热交换器所组成的密闭水循环冷却系统。
2.根据权利要求 1 所述的采用水冷技术的有源电力滤波器，其特征在于：所述的有源电力滤波器元件柜内热量传导至内部循环水，经升温后的内部循环水通过冷却柜水水热交换器利用外循环水将热量带走或通过冷却柜水空热交换器将热量发散到外部空气中。
3.根据权利要求 1 所述的采用水冷技术的有源电力滤波器，其特征在于：所述的有源电力滤波器冷却柜设有防爆形式或非防爆形式，防爆形式的冷却柜放置于危险区使用，非防爆形式的冷却柜放置于安全区使用。
4.根据权利要求 1 所述的采用水冷技术的有源电力滤波器，其特征在于：所述的元件柜内的高频电抗器采用水冷电抗器或风冷电抗器。
5.根据权利要求 1或3 所述的采用水冷技术的有源电力滤波器，其特征在于：所述有源电力滤波器的冷却柜采用冷却柜水水热交换器时，冷却柜设计为防爆形式，冷却柜放置于危险区使用。
6.根据权利要求 1或3所述的采用水冷技术的有源电力滤波器，其特征在于：所述有源电力滤波器的冷却柜采用冷却柜水水热交换器时，冷却柜设计为非防爆形式，冷却柜放置于安全区使用。
7.根据权利要求 1或3所述的采用水冷技术的有源电力滤波器，其特征在于：所述有源电力滤波器的冷却柜采用冷却柜水空热交换器，风机采用防爆型时，冷却柜设计为防爆形式，冷却柜放置于危险区使用。
8.根据权利要求 1或3所述的采用水冷技术的有源电力滤波器，其特征在于：所述有源电力滤波器的冷却柜采用冷却柜水空热交换器，风机采用非防爆型时，冷却柜设计为非防爆形式，冷却柜放置于安全区使用。
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