CN112236018A - 功率柜及变流器 - Google Patents

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CN112236018A CN202011222470.4A CN202011222470A CN112236018A CN 112236018 A CN112236018 A CN 112236018A CN 202011222470 A CN202011222470 A CN 202011222470A CN 112236018 A CN112236018 A CN 112236018A
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Abstract

本发明公开了一种功率柜及变流器，其中功率柜包括柜体、功率模组及电抗器组件，柜体上设有进风口和出风口，柜体内设有器件容置腔，器件容置腔通过腔体隔板形成通过中间通孔连通的第一腔体和第二腔体，进风口设置在第一腔体壁面，出风口设置在第二腔体壁面；功率模组设置在第一腔体内。电抗器组件设置在第二腔体内，第一腔体通过功率模块的散热器和中间通孔与第二腔体连通。本申请仅设置一组进风口和一组出风口即可实现整体气体排出和进入。同时由于电抗器组件耐高温，将电抗器设置于功率模组下游的热风区，避免了电抗器的热量对功率模块的影响，本申请在保证功率柜的散热效果的同时，简化了柜体的进出风结构。

Description

功率柜及变流器
技术领域
本发明涉及电气柜体技术领域，特别涉及一种功率柜。本发明还涉及一种包括上述功率柜的变流器。
背景技术
在变流器产品中，尤其是风电变流器通常采用风冷散热方式，具体有吹风和吸风两种方式，在变流器的功率柜中设置有电抗器、功率模块等发热器件。
如图1所示，传统的大功率变流器的功率柜常见的布局形式为：电抗器01放置功率柜下方，功率模块02放置电抗器01上，为避免电抗器01的热量上窜，影响功率模块02的散热，一般在电抗器01与功率模块02之间设置了隔板03。通过隔板03将功率柜分割成上下两个完全独立的腔体，并分别设置功率模块进风口04、电抗器进风口05、功率模块散热风扇06、电抗器散热风扇07及对应出风口。
功率柜在工作时，功率模块冷却的气流路径为：冷风经过功率模块进风口04进入功率模块02中的散热器，由功率模块散热风扇06抽出柜体；电抗器冷却的气流路径为：冷风经过电抗器进风口05进入柜体内，气流流经电抗器01表面后，由电抗器散热风扇07抽出柜体。
然而由于功率柜分为上下两个独立的空间，则需要上下层空间均分别设置进风口、出风口，而设置多个出风口，还需要将出风口与外界总出风通道连接，柜体进出风结构复杂。
因此，如何简化柜体的进出风结构，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种功率柜，以简化柜体的进出风结构。本发明的另一目的是提供一种包括上述功率柜的变流器。
为实现上述目的，本发明提供一种功率柜，包括：
柜体，所述柜体上设有进风口和出风口，所述柜体内设有器件容置腔，所述器件容置腔通过腔体隔板形成通过中间通孔连通的第一腔体和第二腔体，所述进风口设置在第一腔体壁面，所述出风口设置在所述第二腔体壁面；
设置在所述第一腔体内的功率模组，所述第一腔体通过所述功率模组的散热器和所述中间通孔与所述第二腔体连通；
设置在所述第二腔体内的电抗器组件。
优选地，所述第一腔体位于所述第二腔体的下方。
优选地，所述进风口位于所述第一腔体侧壁的的底端。
优选地，所述出风口位于所述第二腔体侧壁的的顶端。
优选地，所述第一腔体位于所述第二腔体的正下方。
优选地，还包括用于柜体内散热的散热风扇。
优选地，沿气体流动方向，所述散热风扇位于所述电抗器组件的下游。
优选地，所述散热风扇安装在所述第二腔体内。
优选地，沿气体流动方向所述散热风扇安装在所述出风口的下游。
优选地，所述散热风扇安装在所述柜体的顶端。
优选地，所述进风口和所述出风口位于所述柜体背向设置的两个侧面上。
优选地，所述进风口设置在所述柜体的前方，所述出风口设置在所述柜体的后方。
优选地，所述进风口设有第一防护结构，所述出风口设有第二防护结构。
优选地，所述第一防护结构为百叶窗，所述第二防护结构为网孔件。
优选地，还包括设置在所述第一腔体内的外围配件，沿气流方向，所述外围配件位于所述功率模组的上游，所述外围配件的散热量小于功率模组的散热量。
优选地，所述外围配件包括滤波电容组件、撬棒控制单元和撬棒电阻。
优选地，所述滤波电容组件、所述撬棒控制单元和所述撬棒电阻沿气体流动方向依次设置；
或所述滤波电容组件、所述撬棒控制单元和所述撬棒电阻沿垂直于气体流动方向依次设置。
优选地，所述电抗器组件包括机侧电抗器和网侧电抗器，所述机侧电抗器和所述网侧电抗器均为风冷电抗器。
优选地，所述电抗器组件的线包由铝箔绕制而成，不同层所述铝箔之间设置有支撑架用于形成内部风道。
优选地，还包括安装在所述第二腔体内的风道隔板，所述风道隔板与电抗器组件的侧壁之间形成通风间隙。
优选地，所述风道隔板的主体表面与所述电抗器组件的中心轴垂直设置。
优选地，所述功率模组包括两组左右并列设置的模块组，每个所述模块组包括三只单相功率模块，且每个所述模块组的三相电源为互不相通的三个相。
优选地，其中一个所述模块组内的单相功率模块为网侧单相功率模块，另一个所述模块组内的单相功率模块为机侧单相功率模块。
一种变流器，包括功率柜，所述功率柜为上述任一项所述的功率柜。
优选地，所述变流器为风电变流器。
在上述技术方案中，本发明提供的功率柜包括柜体、功率模组及电抗器组件，其中柜体上设有进风口和出风口，柜体内设有器件容置腔，器件容置腔通过腔体隔板形成通过中间通孔连通的第一腔体和第二腔体，进风口设置在第一腔体壁面，出风口设置在第二腔体壁面。功率模组设置在第一腔体内。电抗器组件设置在第二腔体内，第一腔体通过功率模块的散热器和中间通孔与第二腔体连通。
通过上述描述可知，在本申请提供的功率柜中，通过将器件容置腔设置为连通的第一腔体和第二腔体，使得冷风进入功率柜后，依次穿过功率模块和电抗器组件后排出功率柜，即仅设置一组进风口和一组出风口即可。由于电抗器组件耐高温，将电抗器设置于功率模组后级的热风区，避免了电抗器的热量对功率模块的影响。在保证功率柜的散热效果的同时，简化柜体的进出风结构。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为传统的功率柜的结构示意图；
图2为本发明实施例所提供的一种功率柜的内部结构布置图；
图3为图2所示功率柜的气流流向示意图；
图4为图3所示功率柜的三维结构图；
图5为图3所示功率柜的后视图；
图6为本发明实施例所提供的另一种功率柜的内部结构布置图。
其中图1-6中：
01-电抗器、02-功率模块、03-隔板、04-功率模块进风口、05-电抗器进风口、06-功率模块散热风扇、07-电抗器散热风扇；
10-柜体、11-腔体隔板、12-第二腔体、13-第一腔体、14-进风口、15-出风口、16-电缆接口、17-风道隔板、18-通风间隙；
20-电抗器组件、21-网侧电抗器、22-机侧电抗器；
30-功率模组、31-网侧单相功率模块、32-机侧单相功率模块；
40-散热风扇；
50-外围配件、51-滤波电容组件、52-撬棒控制单元、53-撬棒电阻。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种功率柜，以简化柜体的进出风结构。本发明的另一核心是提供一种包括上述功率柜的变流器。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图2至图6。
在一种具体实施方式中，本发明具体实施例提供的功率柜包括：
柜体10，柜体10上设有进风口14和出风口15，柜体10内设有器件容置腔，器件容置腔通过腔体隔板11形成通过中间通孔连通的第一腔体13和第二腔体12，进风口14设置在第一腔体13壁面，出风口15设置在第二腔体12壁面。具体的，腔体隔板11外周通过可以通过粘接或者与柜体10的壳体一体成型方式连接，为了便于拆装腔体隔板11，优选，腔体隔板11通过螺纹紧固件安装在柜体10的壳体上。具体的，腔体隔板11可以为金属板或绝缘板等。当腔体隔板11为金属板时，腔体隔板11与柜体10内其它电器件间隔设置或者通过绝缘件连接。
为了便于气体充分进入第一腔体13空间，优选，进风口14为向第一腔体13外扩的喇叭形孔体结构。
功率模组30，功率模组30设置在第一腔体13内，第一腔体13通过功率模组30的散热器和中间通孔与第二腔体12连通，即第一腔体13与第二腔体12仅通过功率模组30中的散热器连通。功率柜进行散热时，通过进风口14进入第一腔体13的气流首先通过功率模组30，然后通过中间通孔进入第二腔体12，接着对电抗器组件20散热，最终通过出风口15排出。
电抗器组件20，电抗器组件20设置在第二腔体12内，具体的，电抗器组件20可以可拆卸安装在柜体10内部的横梁上。具体的，可以根据中间通孔和出风口15的位置，适应性调整电抗器组件在横梁的位置。
为了便于散热，优选，第一腔体13位于第二腔体12的下方。散热风扇40设置于柜体10最上端(沿重力方向)，位于第二腔体12上部。优选，第一腔体13位于第二腔体12的正下方。具体的，优选，柜体10整体为矩形结构。
具体的，进风口14位于第一腔体13的底端，出风口15位于第二腔体12的顶端，增大了气体在柜体10内的路径。优选，进风口14和出风口15位于柜体10背向设置的两个侧面上，具体的，进风口14和出风口15分别设置在柜体10左右两侧。
为了便于检修，在具体实施时，进风口14设置在柜体10的前方，出风口15设置在柜体10的后方。其中进风口14尽量往靠近柜体10的最下端，出风口15尽量靠近柜体10的最上端，充分利用热空气往升的物理现象，利于功率柜散热实现，并避免形成风道死区，导致热量集聚的情况。另外，为充分发挥电抗器组件20相对能耐高温的特点，将电抗器组件20设置于功率模组30后级的热风区，完全避免了电抗器组件20的热量对功率模块的影响。
为了提高功率柜的使用安全性，优选，进风口14设有第一防护结构，出风口15设有第二防护结构。具体的，第一防护结构和第二防护结构可以均为格栅板体结构。当然，第一防护结构还可以为百叶窗，第二防护结构为网孔件，优选，网孔件为金属网孔结构。由于本申请仅设有一组进风口14和一组出风口15，功率柜布置极为简洁，减少了进风口14及其配套的过滤百叶窗，同时减少了风扇数量，可靠性提高，同时能够降低成本，获得不错的经济效益。
具体的，电抗器组件20包括机侧电抗器22和网侧电抗器21，机侧电抗器22和网侧电抗器21优选均为风冷电抗器。一般情况下，风力发电机位于塔筒顶部的机舱上，变流器位于塔底，机侧电抗器22的外接口位于功率柜顶部，减少了变流器与发电机之间的连接电缆长度，节省了成本。
在具体实施时，如图5所示，功率柜顶部设置有电缆接口16。发电机电缆经过电缆接口16进入功率柜，连接到机侧电抗器22上。
具体的，电抗器组件20的线包由铝箔绕制而成，不同层铝箔之间设置有支撑架，以便在电抗器组件20内部形成上下贯通的内部风道。
在一种具体实施方式中，该功率柜还包括安装在第二腔体12内的风道隔板17，其中隔板的外部与柜体10内壁连接，风道隔板17与电抗器组件20的侧壁之间形成通风间隙18。
具体的，风道隔板17设置于电抗器组件20高度方向中间位置附近。进一步，优选的，风道隔板17的主体表面与电抗器组件20的中心轴垂直设置，风道隔板17为平板结构。通过在风道隔板17与电抗器组件20线包表面之间设置有通风间隙18，从第一腔体13进入第二腔体12的气流，一部分通过风道隔板17与线包之间的通风间隙18，另一部分穿过电抗器组件20的内部风道，实现对电抗器组件20有效散热。其中通风间隙18的大小，可以根据散热风扇40的选型及实际散热需要进行调整，本申请不做具体限定。
本申请提供的功率柜还包括用于柜体10内散热的散热风扇40，具体的，沿气体流动方向，散热风扇40可以位于功率模组30的上游。也可以沿气体流动方向，散热风扇40位于电抗器组件20的下游。也可以位于柜体10内其它位置，只要实现气体尽快排出即可。
本申请柜体10内部为一个通风道，即设置一组散热风扇40即可，降低了功率柜的制造成本。
如图2和图3所示，散热风扇40安装在第二腔体12内。优选的，电抗器组件20设置于散热风扇40的下方，具体位于第二腔体12下部。本申请通过散热风扇40内置，功率柜整体更紧凑，减小了包装尺寸，降低包装及运输成本。
如图6所示，在另一具体实施方式中，沿气体流动方向散热风扇40安装在出风口15的下游。即散热风扇40安装在柜体10外侧，具体的，散热风扇40可以安装在柜体10背部。为了减小功率柜的厚度，优选，散热风扇40安装在柜体10的顶端。当散热风扇40移至柜体10外的柜顶上，具体的，组装时将电缆接口16适当升高。
在一种具体实施方式中，该功率柜还包括设置在第一腔体13内的外围配件50，沿气流方向，外围配件50位于功率模组30的上游。优选的，外围配件50设置于功率模组30下方，具体的，位于第二腔体12下部。其中外围配件50的散热量小于功率模组30散热量，其中散热量是指单位工作时间器件散出热量。其中外围配件50的散热量远小于功率模组3的散热量，具体的，功率模组30散热量为外围配件50散热量的几倍、十几倍或者至少及几十倍等。
具体的，外围配件50包括滤波电容组件51、撬棒控制单元52和撬棒电阻53。
在具体设置时，滤波电容组件51、撬棒控制单元52和撬棒电阻53沿气体流动方向依次设置。其中滤波电容组件51、撬棒控制单元52和撬棒电阻53可以由上至下依次设置，具体的，三者由上至下排序并不局限于上述情况，本申请根据实际需要可以设置为撬棒控制单元52在顶端或底端，或者撬棒电阻53在顶端或中间位置，或者滤波电容组件51在底端或者中间位置。
另一种设置方式，滤波电容组件51、撬棒控制单元52和撬棒电阻53沿垂直于气体流动方向依次设置。此时，气体同时进入滤波电容组件51、撬棒控制单元52和撬棒电阻53。
本申请提供的外围配件，例如滤波电容组件51、撬棒控制单元52和撬棒电阻53均发热量低，散热量需求小，因此，对功率模组30的热影响小，基本不影响变流器性能。
如图3所示，箭头所示为气流流向，散热风扇40在工作时，冷风从进风口14进入功率柜，依次经过外围配件50、功率模组30、电抗器组件20后，形成热风进入散热风扇40，通过与散热风扇40连接的出风口15排出功率柜。
在上述各方案的基础上，功率模组30包括两组左右并列设置的模块组，每个模块组包括三只单相功率模块，且每个模块组的三相电源为互不相通的三个相。
在排布时，其中一个模块组内的单相功率模块为网侧单相功率模块31，另一个模块组内的单相功率模块为机侧单相功率模块32。具体组装时，网侧单相功率模块31位于网侧电抗器21正下方，机侧单相功率模块32位于机侧电抗器22正下方。
本申请提供的功率柜布局尤其适用于三电平变流器的功率柜，三电平变流器的特点是：与两电平变流器相比，由于交流电压等级提高，同等功率条件下，电流会更小，因此电抗器组件20体积会变小；三电平功率模组30一般用两电平IGBT搭建而成，需要更多的IGBT，导致散热器变大，进而导致功率模块尺寸增大、增重，而功率模组30的维护频次相对比较高，放在柜体10的中下部更易于维护。
通过上述描述可知，在本申请具体实施例所提供的功率柜中，通过将器件容置腔设置为连通的第一腔体13和第二腔体12，使得冷风进入功率柜后，依次穿过功率模块和电抗器组件20后排出功率柜，即仅设置一组进风口14和一组出风口15即可。由于电抗器组件20耐高温，将电抗器组件20设置于功率模组30后级的热风区，避免了电抗器组件20的热量对功率模块的影响。在保证功率柜的散热效果的同时，简化柜体10的进出风结构。
另一方便，电抗器组件20的内部风道与功率柜的主风道方向一致，散热条件得到改善，能够降低电抗器组件20的成本。
本申请提供的功率柜结构简单，内部电器件由上至下设置时，可以实现全正面维护设计，方便后续现场运维。特别对于功率柜后方维护空间不足的系统方案中，优势明显。
本申请提供的一种变流器，包括功率柜，其中功率柜为上述任一种功率柜。前文叙述了关于功率柜的具体结构，本申请包括上述功率柜，同样具有上述技术效果。
具体的，本申请提供的变流器为风电变流器。
其中每个变流器中设有一个或者至少两个功率柜，当设有多个功率柜时，优选，功率柜由左至右依次排布。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (25)

1.一种功率柜，其特征在于，包括：
柜体(10)，所述柜体(10)上设有进风口(14)和出风口(15)，所述柜体(10)内设有器件容置腔，所述器件容置腔通过腔体隔板(11)形成通过中间通孔连通的第一腔体(13)和第二腔体(12)，所述进风口(14)设置在所述第一腔体(13)壁面，所述出风口(15)设置在所述第二腔体(12)壁面；
设置在所述第一腔体(13)内的功率模组(30)，所述第一腔体(13)通过所述功率模组(30)的散热器和所述中间通孔与所述第二腔体(12)连通；
设置在所述第二腔体(12)内的电抗器组件(20)。
2.根据权利要求1所述的功率柜，其特征在于，所述第一腔体(13)位于所述第二腔体(12)的下方。
3.根据权利要求2所述的功率柜，其特征在于，所述进风口(14)位于所述第一腔体(13)侧壁的底端。
4.根据权利要求2所述的功率柜，其特征在于，所述出风口(15)位于所述第二腔体(12)侧壁的顶端。
5.根据权利要求2所述的功率柜，其特征在于，所述第一腔体(13)位于所述第二腔体(12)的正下方。
6.根据权利要求1所述的功率柜，其特征在于，还包括用于柜体(10)内散热的散热风扇(40)。
7.根据权利要求6所述的功率柜，其特征在于，沿气体流动方向，所述散热风扇(40)位于所述电抗器组件(20)的下游。
8.根据权利要求7所述的功率柜，其特征在于，所述散热风扇(40)安装在所述第二腔体(12)内。
9.根据权利要求7所述的功率柜，其特征在于，沿气体流动方向所述散热风扇(40)安装在所述出风口(15)的下游。
10.根据权利要求9所述的功率柜，其特征在于，所述散热风扇(40)安装在所述柜体(10)的顶端。
11.根据权利要求1所述的功率柜，其特征在于，所述进风口(14)和所述出风口(15)位于所述柜体(10)背向设置的两个侧面上。
12.根据权利要求11所述的功率柜，其特征在于，所述进风口(14)设置在所述柜体(10)的前方，所述出风口(15)设置在所述柜体(10)的后方。
13.根据权利要求1所述的功率柜，其特征在于，所述进风口(14)设有第一防护结构，所述出风口(15)设有第二防护结构。
14.根据权利要求13所述的功率柜，其特征在于，所述第一防护结构为百叶窗，所述第二防护结构为网孔件。
15.根据权利要求1所述的功率柜，其特征在于，还包括设置在所述第一腔体(13)内的外围配件(50)，沿气流方向，所述外围配件(50)位于所述功率模组(30)的上游，所述外围配件(50)的散热量小于功率模组(30)的散热量。
16.根据权利要求15所述的功率柜，其特征在于，所述外围配件(50)包括滤波电容组件(51)、撬棒控制单元(52)和撬棒电阻(53)。
17.根据权利要求16所述的功率柜，其特征在于，所述滤波电容组件(51)、所述撬棒控制单元(52)和所述撬棒电阻(53)沿气体流动方向依次设置；
或所述滤波电容组件(51)、所述撬棒控制单元(52)和所述撬棒电阻(53)沿垂直于气体流动方向依次设置。
18.根据权利要求1所述的功率柜，其特征在于，所述电抗器组件(20)包括机侧电抗器(22)和网侧电抗器(21)，所述机侧电抗器(22)和网侧电抗器(21)均为风冷电抗器。
19.根据权利要求1所述的功率柜，其特征在于，所述电抗器组件(20)的线包由铝箔绕制而成，不同层所述铝箔之间设置有支撑架用于形成内部风道。
20.根据权利要求1所述的功率柜，其特征在于，还包括安装在所述第二腔体(12)内的风道隔板(17)，所述风道隔板(17)与所述电抗器组件(20)的侧壁之间形成通风间隙(18)。
21.根据权利要求20所述的功率柜，其特征在于，所述风道隔板(17)的主体表面与所述电抗器组件(20)的中心轴垂直设置。
22.根据权利要求1-21中任一项所述的功率柜，其特征在于，所述功率模组(30)包括两组左右并列设置的模块组，每个所述模块组包括三只单相功率模块，且每个所述模块组的三相电源为互不相通的三个相。
23.根据权利要求22所述的功率柜，其特征在于，其中一个所述模块组内的所述单相功率模块为网侧单相功率模块(31)，另一个所述模块组内的所述单相功率模块为机侧单相功率模块(32)。
24.一种变流器，包括功率柜，其特征在于，所述功率柜为权利要求1-23中任一项所述的功率柜。
25.根据权利要求24所述的变流器，其特征在于，所述变流器为风电变流器。
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