CN112636218B - 一种适用于低温环境的自循环式电力箱及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种适用于低温环境的自循环式UPS箱及其控制方法，自循环式UPS箱包括采用金属材料形成的全封闭式多层结构壳体，壳体内具有位于中部的设备工作区及至少位于设备工作区一侧的热交换区，设备工作区与热交换区之间具有设有连通的风道，风道上设有活门装置，活门装置用于控制风道的开闭，位于设备工作区的壳体至少一内侧面上设有加热装置，加热装置用于产生热量以控制设备工作区的温度，通过控制风道的开闭，使设备工作区与热交换区进行交换以调节设备工作区的温度。本申请的自循环式UPS箱能够适应雨雪、多尘等各种环境条件，还能以更经济、更可靠的方式实现设备运行环境的温度自适应控制，确保设备始终运行在最佳的温度状态。

Description

一种适用于低温环境的自循环式电力箱及其控制方法

技术领域

本申请属于电力技术领域，特别涉及一种适用于低温环境的自循环式电力箱及其控制方法。

背景技术

在通信或配电领域对用电可靠性要求较高，为了保证用电可靠性，在配电中采用多种精密设备，这些精密设备普遍对防水、防雪、防尘等级以及环境温度等运行环境要求极为严苛，只有稳定、良好的运行环境，才能确保这些精密设备的可靠运行。

当此类精密设备运行在低温环境下时，通常采取内部设计伴热带或电加热、外部裹上保温棉实现内部加热保温的方式，然而这种方式不利于运行环境温度的控制，设备运行时箱内温差大，精密设备敏感模块容易过温。此时，通过在外壳上开设通风孔，通过与外界进行热交换，实现精密设备的通风散热，维持设备运行环境稳定。

然而上述技术方案虽然能实现环境温度的控制，但却存在壳体防水、防尘与通风散热、保温之间的矛盾问题。一方面，壳体通风孔的设置，造成壳体无法完全封闭，保温效果差，导致内部温度不稳定；另一方面，极有可能引起壳体内部进水、堆雪、凝露、灰尘聚集等问题，易导致内部设备故障，因此无法维持壳体内运行环境的良好、稳定。

发明内容

本申请的目的是提供了一种适用于低温环境的自循环式电力箱及其控制方法，以解决上述任一问题。

在一方面，本申请的技术方案是：一种适用于低温环境的自循环式电力箱，所述自循环式电力箱包括：

壳体，所述壳体采用金属材料构成全封闭式多层结构，其中，所述壳体内包括位于壳体内中部区域的设备工作区以及自所述设备工作区向壳体外依次设置的加热层、隔热层、保温层和热交换层，所述加热层用于容纳向设备工作区输出热量的加热装置，所述隔热层用于容纳隔热材料，所述保温层用于容纳保温材料，所述设备工作区与所述热交换层之间具有设有连通的风道，所述风道上设有活门装置，通过控制活门装置的移动能够控制所述风道的开启与闭合，通过加热层内设置的加热装置产生流向于设备工作区的热量以调节所述设备工作区的温度；

温度检测装置，所述温度检测装置设置于所述设备工作区内，用于获取设备工作区的环境温度；以及

数据处理装置，所述数据处理装置用于根据温度检测装置获取的环境温度控制所述加热装置和活门装置的工作状态，其中，当所述设备工作区的实际温度高于第一温度时，控制所述活门装置开启以使热量进入热交换层进行热交换，从而降低所述设备工作区的温度，或是当所述设备工作区的实际温度低于第二温度时，控制所述活门装置关闭以阻止热量进行热交换层进行热交换，从而保持所述设备工作区的温度，或是当所述设备工作区的实际温度低于第三温度时，控制所述加热装置开启以产生热量进入设备工作区，从而提高所述设备工作区的温度，或是当所述设备工作区的实际温度高于第四温度时，控制所述加热装置关闭以阻止热量的产生，从而保持所述设备工作区的温度。

在本申请一优选实施方式中，所述热交换层环布于所述自循环式壳体的四周，且位于所述设备工作区两侧的热交换层具有连通设备工作区的风道。

在本申请一优选实施方式中，单侧的热交换层与设备工作区之间具有两个所述风道，两个所述风道在高度方向上间隔设置，使单侧的热交换层与设备工作区之间能够形成对流。

在本申请一优选实施方式中，单侧的两个风道中，上侧的风道截面面积大于下侧的风道截面面积。

在本申请一优选实施方式中，所述第一温度高于所述第二温度，所述第三温度低于所述第四温度。

在本申请一优选实施方式中，所述温度检测装置设置于所述设备工作区内的特殊区域温度，所述特殊区域包括安装于设备工作区内的电力设备的温度敏感区、设备工作区内的高温区及设备工作区内的低温区。

在本申请一优选实施方式中，所述温度敏感区、高温区和低温区内均设置多个温度检测装置。

在一方面，本申请的技术方案是：一种适用于低温环境的自循环式电力箱的控制方法，采用如上任一所述的自循环式电力箱，所述控制方法包括：

获取设备工作区的环境温度；

根据所述环境温度，控制所述加热装置和活门装置的工作状态，其中，当所述设备工作区的实际温度高于第一温度时，控制所述活门装置开启以使热量进入热交换区进行热交换，从而降低所述设备工作区的温度，或是当所述设备工作区的实际温度低于第二温度时，控制所述活门装置关闭以阻止热量进行热交换区进行热交换，从而保持所述设备工作区的温度，或是当所述设备工作区的实际温度低于第三温度时，控制所述加热装置开启以产生热量进入设备工作区，从而提高所述设备工作区的温度，或是当所述设备工作区的实际温度高于第四温度时，控制所述加热装置关闭以阻止热量的产生，从而保持所述设备工作区的温度。

本申请所提供的自循环式UPS箱控制方法及系统能够适应雨雪、多尘等各种环境条件，还能以更经济、更可靠的方式实现设备运行环境的温度自适应控制，确保设备始终运行在最佳的环境温度状态，保障设备的运行可靠性及使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。

图1为本申请的自循环式电力箱部分结构示意图。

图2为本申请的自循环式电力箱结构示意图。

图3为本申请的活门结构示意图。

图4为本申请的自循环式电力箱气流流向示意图。

图5为本申请的自循环式电力箱控制结构示意图。

图6为本申请的自循环式电力箱控制方法示意图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。

为了克服现有技术中的不足，本申请首先提供了一种适用于低温环境的自循环式电力箱，以满足箱体内部设备的通风散热及保温需求，同时满足箱体的防水、防雪、防尘等需求，保障箱体内部设备运行环境的良好、稳定。

为此，本申请提供了一种适用于低温环境的自循环式电力箱，所述电力箱包括壳体10、温度检测装置31及数据处理装置32。

如图1所示，壳体10采用金属材料制成且为全封闭式多层结构。多层结构壳体的中间部分为设备工作区11，设备工作区11内用于放置电力设备及相关设备，例如电池21a及逆变器21b。自设备工作区11向壳体外依次具有加热层12、隔热层13、保温层14及热交换层15，每个隔层之间被壳体结构的金属壁板隔开。设备工作区11和热交换层15之间设有连通的风道16，风道16上设置活门装置17。加热层12内设置有加热装置22，加热装置22通电后能够产生热量，此热量用来调节设备工作区11内的环境温度，当温度较高时，控制活门装置17开启，设备工作区11内的热量进入热交换层15，由于热交换层15外为薄壁金属，进入热交换层15的热量迅速被室外低温环境带走，从而实现设备工作区11内的降温。通过联合控制加热装置22及风道16的开闭，可实现设备工作区1内的温度保持恒定。

在本申请的一些实施例中，加热层12内的加热装置22可以采用石墨烯碳纤维炭晶电热膜，以达到快速发热、高温均匀等，短时间内将壳体内的温度加热至设定温度。需要说明的是，加热层12内面向设备工作区11的一面设有通气孔，便于加热装置22产生的热量进入设备工作区11。而隔热层13可以采用硅酸铁铝纤维板进行填充，以达到有效隔绝加热层热量，防止热量向外界损失。保温层14可以采用国际E1级保温隔音棉，导热系数0.036W/mk，耐低温达-40℃，储存热量并隔绝外部环境冷空气侵入壳体。

在本申请中，热交换层15遍布于设备工作区11的四周，但仅位于设备工作区11两侧的热交换层15与设备工作区11通过风道16连通。

以图2为例，在单侧的热交换层15中均有两个风道16与设备工作区11连通，两个风道16在高度方向(垂向)上间隔的设置在靠近上部和底部的位置，通过间隔设置的两个风道16，可以使设备工作区11和热交换层15内的热量形成对流，从而提高热交换率，如图4所示。

需要说明的是，在单侧设置的两个风道16中，处于高压处的风道截面大于低压处的风道截面，即上侧的风道截面面积大于下侧的风道截面面积。

如图3所示，活门装置17包括上侧活门171a和下侧活门171b，上下活门之间通过导向杆176连接成一体，电机172通过传动杆175连接到活门上，通过电机172转动能够控制活门整体的向上移动或向下移动。在上下移动范围边界设置有上行程开关173和下行程开关174。当控制电机启动时，其带动活门沿着导向杆向上或向下运动，从而打开或关闭活门。当活门到达顶端或底部时，触发行程开关而使电机停止。

在本申请中，温度检测装置31即可以是采用温度传感器，温度检测装置31设置在设备工作区11内，通过温度检测装置31可以采集设备工作区11内的环境温度。

需要说明的是，温度检测装置31设置于设备工作区11内的特殊区域温度，特殊区域包括安装于设备工作区11内的电力设备的温度敏感区、设备工作区11内的高温区及设备工作区11内的低温区。其中，电力设备的温度敏感区例如可以是电力设备内部或电力设备温度较高的部分。

通过温度敏感区、高温区和低温区内均设置多个温度检测装置31，在通过数据处理装置32进行处理时，可将多个区域内的多个温度值综合，以提高设备工作区11的温度采集准确度。

数据处理装置32可以采用包含CPU、FPGA等具备数据处理能力的系统或模块，数据处理装置32根据温度检测装置31获取的环境温度控制加热装置22和活门装置17的工作状态，即加热装置22的供热与停止、活门装置17的开启与关闭。

如图5和图6所示，数据处理装置32控制加热装置22和活门装置17的控制流程或控制方法如下：

1)首先，通过温度检测装置31获取电力箱内设备工作区1的环境温度；

2)之后设置多个温度阈值，即活门装置开启的温度为第一温度值、活门装置关闭的温度为第二温度值、加热装置启动的温度为第三温度值、加热装置停止的温度为第四温度值；根据获取的环境温度与温度阈值进行比对，按照上述温度值对活门装置或加热装置进行控制，即可实现自循环式UPS箱内温度的调节。即，当所述设备工作区11的实际温度高于第一温度时，控制所述活门装置17开启以使热量进入热交换层15进行热交换，从而降低所述设备工作区11的温度，或是当所述设备工作区11的实际温度低于第二温度时，控制所述活门装置17关闭以阻止热量进行热交换层15进行热交换，从而保持所述设备工作区11的温度，或是当所述设备工作区11的实际温度低于第三温度时，控制所述加热装置22开启以产生热量进入设备工作区11，从而提高所述设备工作区11的温度，或是当所述设备工作区11的实际温度高于第四温度时，控制所述加热装置22关闭以阻止热量的产生，从而保持所述设备工作区11的温度。

在本申请中，通过活门装置17进行温度调节过程中，活门装置开启前的温度阈值需大于活门装置开启后的温度阈值以进行降温，即第一温度高于第二温度；而通过加热装置进行温度调节过程中，加热装置开启前的温度阈值需小于加热装置开启后的温度阈值以进行升温，即第三温度低于第四温度。

本申请的适用于低温环境的自循环式电力箱可适用于如USP(UninterruptiblePowerSystem，即不间断电源)等电力设备的使用，UPS设备主要是将UPS元件和储能装置集成于一个具备自循环功能的壳体内。UPS元件以逆变器为主要元件，配以整流器、静态旁路开关、进/出线开关、维修旁路开关等元器件以及其他辅助功能元件。UPS设备运行时的发热量主要来自于逆变器21b，因此可将UPS设备中的逆变器21b出风口放置在距离右侧活门装置17较近的位置处。储能装置由一组电池单元21a构成，由于其体积较大且充放电效率对温度要求高，因此电池单元可分层放置在设备工作区11内，上下层与单体电池间留有足够的通风距离。

在低温环境下，设备工作区11内的电力设备在初始工作前，由于环境温度较低，影响电力设备的工作或使用寿命。为了能够使设备工作区11内的环境温度较快的升至合适的温度，通过设置在设备工作区11四周的多个加热装置22提供热量，可以使设备工作区11内的环境尽快达到电力设备合适的工作环境温度。

而由于设备工作区11内的电力设备能够发热，例如逆变器21b，因此设备工作区11内的温度在一定时间后是较高的。此时热流上升，通过打开单侧的两个活门装置17，设备工作区11内的热流可以从上侧的风道16流入热交换层15，降温后从下侧的风道16流入设备工作区11，从而形成联通的自循环热流，从而使设备工作区11内的温度保持相对稳定，参见图3所示。

本发明所提供的自循环式电力箱及其控制方法可以解决当电力设备在冬季或户外低温环境时，外界环境直接影响其可靠运行的问题，其能够自适应低温、雨雪、多尘等各种环境条件，以更经济、更可靠的方式，实现运行环境的自循环控制，从而保证整流器、逆变器、静态开关和电池等电力设备在冬季或低温环境下运行，能够确保设备始终运行在最佳环境内，提升设备的运行可靠性、后备时间及使用寿命，实现了24小时本地及后台设备运行状态全监测、全感知，以便及时了解设备健康状态，进行异常状态下的应急处理。。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种适用于低温环境的自循环式电力箱，其特征在于，所述自循环式电力箱包括：

壳体(10)，所述壳体(10)采用金属材料构成全封闭式多层结构，其中，所述壳体内包括位于壳体内中部区域的设备工作区(11)以及自所述设备工作区(11)向壳体外依次设置的加热层(12)、隔热层(13)、保温层(14)和热交换层(15)，所述加热层(12)用于容纳向设备工作区(11)输出热量的加热装置(22)，所述隔热层(13)用于容纳隔热材料，所述保温层(14)用于容纳保温材料，所述设备工作区(11)与所述热交换层(15)之间具有设有连通的风道(16)，所述风道上设有活门装置(17)，通过控制活门装置(17)的移动能够控制所述风道(16)的开启与闭合，通过加热层(12)内设置的加热装置(22)产生流向于设备工作区(11)的热量以调节所述设备工作区(11)的温度；

温度检测装置，所述温度检测装置(31)设置于所述设备工作区(11)内，用于获取设备工作区(11)的环境温度；以及

数据处理装置，所述数据处理装置(32)用于根据温度检测装置(31)获取的环境温度控制所述加热装置(22)和活门装置(17)的工作状态，其中，当所述设备工作区(11)的实际温度高于第一温度时，控制所述活门装置(17)开启以使热量进入热交换层(15)进行热交换，从而降低所述设备工作区(11)的温度，或是当所述设备工作区(11)的实际温度低于第二温度时，控制所述活门装置(17)关闭以阻止热量进行热交换层(15)进行热交换，从而保持所述设备工作区(11)的温度，或是当所述设备工作区(11)的实际温度低于第三温度时，控制所述加热装置(22)开启以产生热量进入设备工作区(11)，从而提高所述设备工作区(11)的温度，或是当所述设备工作区(11)的实际温度高于第四温度时，控制所述加热装置(22)关闭以阻止热量的产生，从而保持所述设备工作区(11)的温度。

2.如权利要求1所述的适用于低温环境的自循环式电力箱，其特征在于，所述热交换层(15)环布于所述自循环式壳体的四周，且位于所述设备工作区(11)两侧的热交换层(15)具有连通设备工作区(11)的风道(16)。

3.如权利要求2所述的适用于低温环境的自循环式电力箱，其特征在于，单侧的热交换层(15)与设备工作区(11)之间具有两个所述风道(16)，两个所述风道(16)在高度方向上间隔设置，使单侧的热交换层(15)与设备工作区(11)之间能够形成对流。

4.如权利要求3所述的适用于低温环境的自循环式电力箱，其特征在于，单侧的两个风道(16)中，上侧的风道截面面积大于下侧的风道截面面积。

5.如权利要求1所述的适用于低温环境的自循环式电力箱，其特征在于，所述第一温度高于所述第二温度，所述第三温度低于所述第四温度。

6.如权利要求1所述的适用于低温环境的自循环式电力箱，其特征在于，所述温度检测装置(31)设置于所述设备工作区(11)内的特殊区域温度，所述特殊区域包括安装于设备工作区(11)内的电力设备的温度敏感区、设备工作区(11)内的高温区及设备工作区(11)内的低温区。

7.如权利要求6所述的适用于低温环境的自循环式电力箱，其特征在于，所述温度敏感区、高温区和低温区内均设置多个温度检测装置(31)。

8.一种适用于低温环境的自循环式电力箱的控制方法，采用如权利要求1至7任一所述的自循环式电力箱，其特征在于，所述控制方法包括：

获取设备工作区的环境温度；

根据所述环境温度，控制所述加热装置和活门装置的工作状态，其中，当所述设备工作区的实际温度高于第一温度时，控制所述活门装置开启以使热量进入热交换区进行热交换，从而降低所述设备工作区的温度，或是当所述设备工作区的实际温度低于第二温度时，控制所述活门装置关闭以阻止热量进行热交换区进行热交换，从而保持所述设备工作区的温度，或是当所述设备工作区的实际温度低于第三温度时，控制所述加热装置开启以产生热量进入设备工作区，从而提高所述设备工作区的温度，或是当所述设备工作区的实际温度高于第四温度时，控制所述加热装置关闭以阻止热量的产生，从而保持所述设备工作区的温度。

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