CN106026617A - 一种集中冷却式变流器 - Google Patents

Abstract

一种集中冷却式变流器，其电抗器、电容器和功率单元设置在机柜中。冷却器、冷板蒸发器、气液分离器、冷凝器及联通管路也设置于机柜内。电抗器和电容器置于冷却器内。功率单元由至少1个功率半导体器件及控制电路板组成；冷板蒸发器安装在功率单元内，功率半导体器件紧固于冷板蒸发器表面，功率半导体器件的发热面与冷板蒸发器紧密接触。冷凝器置于变流器柜体内的上部，位置高于冷板蒸发器、冷却器和气液分离器；冷板蒸发器的出气接头和进液接头通过管路穿出功率单元；冷板蒸发器和冷却器的出气接头并联到气路管路，进液接头并联到液路管路，气体管路和液体管与气液分离器连通，气液分离器与冷凝器通过管路连通，形成密闭回路，回路充有冷却液体。

Description

一种集中冷却式变流器

技术领域

本发明涉及大功率变流器领域，具体说是一种集中冷却式变流器系统。

背景技术

随着风电全功率变流技术、交流变频调速技术等的日益广泛应用发展，船舶、海上风电领域应用越来越多，单机容量不断提升，功率密度要求越来越高变流器的紧凑型和可靠性问题对冷却技术提出了更高要求。

目前变流器最常用的冷却技术是空气冷却或者水冷方法，空气冷却方法结构简单，但冷却效率较低，体积和噪声较大，适于低功率设备，已经难于适应MW以上的技术发展要求，水冷可以达到目前的冷却要求，但水冷技术采用强迫水循环结构，冷却介质必须采用去离子水并须配备循环泵、膨胀阀、水去离子处理设备等，水处理和循环系统需要一个单独约重几十甚至上百公斤的柜体，体积重量较大成本增高。而且一旦漏水，会带来安全隐患。因此，开发和选择新型高效散热技术对变流设备进行冷却，是保证装置可靠性和提高功率体积密度的一个重要措施，以满足海上风电、船舶等特殊环境的小体积高功率密度的需求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提供一种集中式冷却变流器系统。其目的是在有限空间内，实现一个低成本小体积高功率密度的变流器，满足行业不断提升的高功率密度的需求。

本发明集中冷却式变流器系统采用的技术方案如下：

所述集中冷却式变流器，包括机柜、电气元件、冷却器、冷板蒸发器、气液分离器和冷凝器及联通管路。实现交直流变换的电器元件：电抗器、电容器、功率单元设置在机柜中，以及实现冷却功能的冷却器、冷板蒸发器、气液分离器和冷凝器及联通管路也设置于机柜内。所述的电抗器和电容器置于冷却器内。所述功率单元由至少1个功率半导体器件及控制电路板组成，所述冷板蒸发器安装在功率单元内，一个或多个功率半导体器件紧固于冷板蒸发器表面，功率半导体器件的发热面和冷板蒸发器紧密接触，实现有限空间内高功率半导体器件的部署。所述冷凝器置于变流器柜体内的上部，位置高于冷板蒸发器、冷却器和气液分离器。冷板蒸发器的出气接头、进液接头通过管路穿出功率单元。冷板蒸发器和冷却器的出气接头并联到气路管路，进液接头并联到液路管路，气体管路和液体管与气液分离器连通，气液分离器与冷凝器通过管路连通，形成密闭回路，回路内充有低沸点的绝缘冷却液体。气液分离器位置高于冷却器和冷板蒸发器，低于冷凝器，冷板蒸发器位置不低于冷却器。

所述冷却器为由不锈钢或合金铝等金属材质制成的矩形空腔体。冷却器具有至少1个出气接头、至少1个进液接头和至少2个密封铜接头。出气接头位于冷却器上部最高位置，进液接头位于冷却器底部，电容器或电抗器通过密封铜接头与外部功率半导体器件的输入铜排电连接，密封铜接头既起到电连接作用又可防止冷却液体从冷却器中泄露。冷却器中充有冷却液体，电抗器或电容置于冷却器内，浸没于冷却液体中。冷却液不但吸收电抗器或电容器产生的热量，同时通过和冷却器金属壁面的热传导吸收周围高温环境的温度，不需要像水冷方式的变流器增加额外的水冷散热器和风扇冷却环境温度，节约了机柜空间。

所述冷却液体为绝缘液体，一个标准大气压下沸点在40～55℃，体积电阻率大于10⁷Ωm，可以与电器元件带点部位直接接触，冷却液体直接吸收电抗器或电容等电气元件产生的热量，起到降温作用，无需额外介质去离子处理设备，提高了功率体积密度。

所述冷板蒸发器为采用铝合金或铜制的空心体，内部设有流道，冷板蒸发器上部有一个或多个出气接头，与气体管路联通，冷板蒸发器下部有一个或多个进液接头，与液体管路联通。

所述气液分离器的位置高于冷板蒸发器和冷却器，低于冷凝器。气液分离器有四个接头，液体接头位于气液分离器最底部，与液体管路联通，回液接头位于气液分离器下部，位置低于气液管接头，气液接头位于气液分离器中部与气体管路联通，位置低于气接头，气接头位于最顶部，与冷凝器进气接头联通。由于冷板蒸发器和冷却器中剧烈沸腾，气管中会夹有液体，一是增加管道阻力二是影响冷凝器的换热效率，气液分离器可以将气体管道中气液分离，使得进入冷凝器的完全是气体，多余的液体通过气液分离器直接流回液体管路，提高冷凝器冷却效率。

所述冷凝器为由不锈钢或铝合金等金属材质制成的矩形或圆柱形空腔体，优选与机柜顶部设计为一体，即冷凝器的上部外壳与机柜共面，采用循环冷却水制冷，冷凝器具有至少1个出液接头和至少1个进气接头，1对进出水接头，出液接头位于冷凝器最底部，进气接头的位置高于出液接头。

所述机柜内至少设置有2个电抗器、1个电容器和3个功率单元，以及3个冷却器、3个冷板蒸发器、1个气液分离器和1个冷凝器。2个电抗器置于第一冷却器中，电容器置于第二冷却器中。装有电抗器的第一冷却器位于机柜底部，装有电容器的第二冷却器位于机柜中部，3个功率单元固定于装有电容器的第二冷却器的外表面。3个冷板蒸发器分别置于3个功率单元内。功率单元由至少1个功率半导体器件及控制电路板组成。一个或多个功率半导体器件紧固于冷板蒸发器表面，功率半导体器件的发热面和冷板蒸发器紧密接触。气液分离器的位置高于冷却器、冷板蒸发器的位置低于冷凝器。3个冷板蒸发器的出气接头、进液接头通过管路穿过3个功率单元。3个冷板蒸发器的出气接头和3个冷却器的出气接头并联连接气体管路，与气体管路联通；3个冷板蒸发器的进液接头和3个冷却器的进液接头并联连接到液体管路，与液体管路联通。3个冷板蒸发器和3个冷却器通过气体管路和液体管路与气液分离器连通，气液分离器与冷凝器连通。实现交直流变换运行时，在机柜内，电抗器、电容器和功率半导体器件产生的热量传递给冷却液体，冷却液体气化上升到上方的冷凝器，冷凝变为液体回流到冷却器和冷板散热器内，实现该高功率密度变流器的相变冷却液体自循环过程。电抗器、电容器置于冷却器内，功率半导体器件紧固于冷板蒸发器表面，所产生的热量通过冷却液集中传输到冷凝器中散热，有利于热源的集中布置，提高变流器功率体积密度，无附加柜体及其他辅助设备，降低了噪声和成本。

本发明的集中式冷却变流器与现有技术相比具有的有效效果是：利用液体相变换热原理形成自循环密闭结构，冷却液为绝缘冷却液体，无需泵类等辅助处理设备，实现有限空间内发热电气部件的高密度部署，并解决高功率密度电能变换带来的散热和噪声问题；自循环系统运行压力基本在在0Pa附近，即冷却系统正常工作在0～10⁵Pa之间，工作压力较低，系统不存在爆炸的危险，常规水冷工作压力再0.2MPA以上；另外将众多分散发热源产生热量集中传输并散热，实现大功率变流器的全封闭柜体运行，适应海上、船舶等潮湿恶劣环境条件；

附图说明

图1本发明实施例结构示意图；

图2a功率单元各部件位置结构图；

图2b冷板蒸发器与功率器件位置示意图；

图3a第一冷却器外观结构意图；

图3b电抗器与第一冷却器位置关系示意图；

图中：1冷凝器、2气液分离器、3气体管路、4冷板蒸发器、5第一冷却器、5’第二冷却器、7冷却液体、6液体管路、8电抗器、9功率单元、10电容器、11机柜、12进出水接头、21气液接头、22液接头、23回液接头、24气接头、91、控制电路板、92功率半导体器件、41冷板蒸发器出气接头、42冷板蒸发器进液接头、43母排、51冷却器出气接头、52冷却器进液接头、53密封铜接头。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1所示为本发明的一个实施例：风力发电机用背靠背结构的变流器，具有两组实现交直流变换的电器元件。该变流器采用集中式冷却，包括1个机柜11和置于机柜11中的2个电容器10，4个电抗器8，6个功率单元9，4个装有电抗器的第一冷却器5、1个装有电容器的第二冷却器5’，6个冷板蒸发器4，1个气液分离器2，1个冷凝器1，气体管路3，以及液体管路6。其中1个电容器10，2个电抗器8，2个第一冷却器5，3个功率单元9，3个冷板蒸发器4为一组交直流变换单元，置于柜体11的前部，其余一个1个电容器10，2个电抗器8，2个第一冷却器5，3个功率单元9，3个冷板蒸发器4为另一组交直流变换单元，置于柜体11的背面。两组交直流变换单元共用1个气液分离器2及1个冷凝器1，2个电容器共用1个第二冷却器5’，如此的集成设计减小了设备的体积。2个电容器10置于第二冷却器5’中，2个电抗器8置于第一冷却器5中。6个功率单元9共包括72个功率半导体器件，每个所述功率单元9均包括12个功率半导体器件92和控制电路91；6个冷板蒸发器4分别置于6个功率单元9内，与功率半导体器件92的发热面紧密接触。6个功率单元9固定于装有电容器的第二冷却器5’的外表面。6个冷板蒸发器4的出气接头41、进液接头42通过管路穿出6个功率单元。第一冷却器5的出气接头51和第二冷却器5’的出气接头51，冷板蒸发器4的出气接头41并联连通到气体管路3，第一冷却器5的进液接头52、第二冷却器5’的进液接头52和冷板蒸发器4的进液接头42并联到液体管路6，气体管路3和液体管路6分别通过气液接头21和液接头22与气液分离器2联通，气液分离器2通过气接头24和回液接头23与冷凝器1连通，形成密闭回路，回路内充有低沸点冷却液体7。装有电抗器8的第一冷却器5位于机柜11的下部，装有电容器10的第二冷却器5’位于机柜11的中部，位置高于第一冷却器，6个冷板蒸发器4分别置于6个功率单元9内，6个功率单元9固定于装有电容器10的第一冷却器5的外表面。气液分离器2的位置高于冷却器5和冷板蒸发器4，位置低于冷凝器1。在交直流变换运行时，机柜11内电器元件产生的热量传递给冷却液体7，冷却液体7气化上升到上部的冷凝器1，冷却变为液体回流到冷却器5和冷板蒸发器4内，实现该高功率密度变流器的相变冷却液体自循环过程。实现变流器交直流变换的电器元件与冷板蒸发器、冷却器紧密结合，提高变流变换功率体积密度，无附加柜体及其他辅助设备如循环泵及风扇，实现低噪声运行。

所述第一冷却器5和第二冷却器5’均为不锈钢制成的矩形空腔体，第一冷却器5和第二冷却器5’的外形尺寸分别根据电容器和电抗器结构尺寸确定，电容器或电抗器分别置于第一冷却器5和第二冷却器5’中，并且与冷却器密封铜接头53内端电连接，第一冷却器5和第二冷却器5’内充有冷却液体7。由于冷却液体7与电容器10或电抗器8直接接触，吸收其产生的热量，使得电容器10或电抗器8表面温度接近液体沸腾饱和温度，冷却效果很好，因此电容器10或电抗器8的结构尺寸比常规空冷水冷方式的体积减小1/3，提高了变流器体积功率密度。第一冷却器5和第二冷却器5’均有至少1个出气接头51、1个进液接头52，至少2个密封铜接头53。出气接头51位于第一冷却器5和第二冷却器5’上部的最高位置，与气体管路3连通，进液接头52位于第一冷却器5和第二冷却器5’的底部，与液体管路6连通，密封铜接头53置于第一冷却器5和第二冷却器5’的上壁或侧壁，密封铜接头53既起到电容器或电抗器与功率单元的电连接作用又防止冷却液体从冷却器中泄露。

所述冷板蒸发器4是由铝合金制成的矩形空腔体，每12个功率半导体器件92的发热面通过紧固螺丝固定于1个冷板蒸发器4的正反表面，集中布置发热源有利于提高功率体积密度。冷板蒸发器4上部的出气接头41通过管路与气体管路3连通，冷板蒸发器4下部的进液接头42通过管路与液体管路6连通。冷板蒸发器4内的冷却液体7吸收功率半导体产生的热量，对半导体功率器件起到冷却的目的。

所述气液分离器2的位置高于冷板蒸发器4和冷却器5，低于冷凝器1。气液分离器2有四个接头，液体接头22位于气液分离器2的最底部，与液体管路6联通，回液接头23位于气液分离器2的下部，位置低于气液管接头21，气液接头21位于气液分离器2的中部，与气体管路3联通，位置低于气接头24，气接头24位于最顶部，与冷凝器进气接头连通。由于冷板蒸发器4内气体流速较快，液体会夹带在气体中进入气路管道内，进而进入冷凝器后会影响冷凝器冷凝效果，因此气液分离器2利用气体液体密度的不同达到气液分离目的，使进入冷凝器中的介质全部为气态，提高冷凝器换热效率及管路阻力。

所述冷凝器1为由不锈钢或合金铝等金属材质制成的矩形空腔体，与机柜11的顶部设计为一体，即冷凝器的上部外壳与机柜11共面，采用循环冷却水制冷。多个电容器、电抗器和半导体功率器件产生的热量被液态的冷却液体7吸收，冷却液体7吸热蒸发变为气体，通过气路管路3和气液分离器2上升到冷凝器1，将热量传输到冷凝器1集中散热，有利于集中布置发热源，提高体积功率密度。冷凝器1有1对进出水接头12，1个出液接头和1个进气接头，出液接头位于冷凝器1的最底部，进气接头的位置高于出液接头，进出水接头12伸出机柜的侧壁。

本实施例冷却液体的沸点选在40-55摄氏度之间。由于冷却液体的沸点较低，冷却液体7吸收电容器、电抗器和半导体功率器件产生的热量气化，上升到冷凝器1，冷却液气体的热量传导给冷凝器1，得以液化的冷却液回流到冷却器5和冷板蒸发器4，实现冷却液的自循环利用；同时冷凝器1中的冷却冷水吸收冷却液蒸汽的热量变热，回到外部循环水系统中，并且不断有低温冷却水流进冷凝器1中。如此，整个变流器通过冷却液体由液体-气体-液体的相变过程，以及冷凝器的循环冷却水系统带走其运行产生的大量热量，很好的解决了高功率密度变流器的散热问题。

Claims (7)

1.一种集中冷却式变流器，其特征在于：所述集中冷却式变流器包括机柜、电气元件、冷却器、冷板蒸发器、气液分离器、冷凝器及联通管路；实现交直流变换的电器元件：电抗器、电容器和功率单元设置在机柜中；实现冷却功能的冷却器、冷板蒸发器、气液分离器、冷凝器及联通管路也设置于机柜内；所述电抗器和电容器置于冷却器内；所述功率单元由至少1个功率半导体器件及控制电路板组成；所述冷板蒸发器安装在功率单元内，功率半导体器件紧固于冷板蒸发器表面，功率半导体器件的发热面与冷板蒸发器紧密接触；所述的冷凝器置于变流器柜体内的上部，位置高于冷板蒸发器、冷却器和气液分离器；冷板蒸发器的出气接头和进液接头通过管路穿出功率单元；冷板蒸发器和冷却器的出气接头并联到气路管路，进液接头并联到液路管路，气体管路和液体管与气液分离器连通，气液分离器与冷凝器通过管路连通，形成密闭回路，回路内充有冷却液体。

2.根据权利要求1所述的集中冷却式变流器，其特征在于：所述冷却器有至少1个出口气接头、至少1个进液接头，至少2个铜密封接头；所述的出口气接头位于冷却器上部的最高位置，进液接头位于冷却器的底部；冷却器内充有冷却液体，电抗器和电容浸没于冷却器内的冷却液体中；电容器或电抗器通过铜密封接头与功率半导体器件电气连接。

3.根据权利要求1或2所述的集中冷却式变流器系统，其特征在于：所述冷却液体为绝缘液体，冷却液体在一个标准大气压下的沸点为40℃～55℃。

4.根据权利要求1所述的集中冷却式变流器，其特征在于：所述冷板蒸发器为采用铝合金材质制成的矩形空腔体；冷板蒸发器的上部有气路接头，下部有液路接头，气路接头与气体管路连通，液路接头与液体管路连通。

5.根据权利要求1所述的集中冷却式变流器，其特征在于：所述气液分离器有四个接头：液体接头、回液接头、气液接头和进气接头；所述液体接头位于气液分离器的最底部，与液体管路连通；所述回液接头位于气液分离器的下部，位置低于气液管接头；所述气液接头位于气液分离器的中部，与气体管路连通，位置低于气接头；所述进气接头位于气液分离器的最顶部，与冷凝器进气接头连通联通。

6.根据权利要求1所述的集中冷却式变流器，其特征在于：所述冷凝器为由不锈钢或铝合金制成的矩形或圆柱形空腔体，与机柜顶部设计为一体，即冷凝器的上部外壳与机柜共面，采用循环冷却水制冷；冷凝器具有至少1个出液接头和至少1个进气接头，1对进出水接头；出液接头位于冷凝器的最底部，进气接头的位置高于出液接头。

7.根据权利要求1所述的集中冷却式变流器，其特征在于：所述机柜内至少设置有2个电抗器、1个电容器和3个功率单元，以及2个冷却器、3个冷板蒸发器、1个气液分离器和1个冷凝器；2个电抗器置于第一冷却器中，1个电容器置于第二冷却器中，装有电抗器的第一冷却器位于机柜底部，装有电容器的第二冷却器位于机柜中部，3个功率单元固定于装有电容器第二冷却器的外表面，3个冷板蒸发器分别置于3个功率单元内；气液分离器的位置高于冷却器，冷板蒸发器的位置低于冷凝器；3个冷板蒸发器的出气接头、进液接头通过管路穿过3个功率单元。3个冷板蒸发器的出气接头和3个冷却器的出气接头并联连接气体管路，与气体管路联通；3个冷板蒸发器的进液接头和3个冷却器的进液接头并联连接到液体管路，与液体管路联通。3个冷板蒸发器和3个冷却器通过气体管路和液体管路与气液分离器连通，气液分离器与冷凝器连通。