CN112770587A - 一种自适应冷却的电气设备及其冷却方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种自适应冷却的电气设备及其冷却方法,该电气设备包括第一控制器、冷却组件以及至少一个发热元件,冷却组件包括风机、至少一个风道挡板以及第二控制器,发热元件与风机之间的风道相互独立;第一控制器用于:根据电气设备的工作模式信息指示第二控制器打开或关闭风道;根据电气设备内的温度信息控制风机调节风量大小。通过该电气设备及冷却方法,利用控制器根据工作模式确定工作中的发热元件,并据此指示打开或关闭相应风道,使得风机仅仅针对工作中的发热元件冷却,避免了无效冷却;同时根据电气设备内的各个部件的温度信息,控制风机的风量,使得在满足冷却要求的情况下,有效降低风机的功耗和风噪。
Description
技术领域
本发明涉及轨道交通设备领域,并且更具体地,涉及一种自适应冷却的电气设备及其冷却方法。
背景技术
近年来随着我国经济水平的不断提高,城市化进程逐步加快,城镇人口数量大幅增加。轻轨交通以其运量大、方便快捷、安全舒适、污染少且造价低廉等优点近年来在我国得到了迅猛发展。轻轨列车具有运行速度快、站间距离短、频繁启制动的特点,因此其制动能量十分可观,一般约占列车牵引总能量的30%-40%。为了减少制动能量的浪费,车载储能联合供电的轻轨车辆也就应运而生。变流装置作为城轨车辆的核心部件,为了给车载储能单元充放电,变流装置需集成双向DC/DC车载充电功能单元,这对变流装置的设计提出了更高的要求,特别是变流装置的冷却系统。
随着国家节能减排政策的推行与实施,更多的轻轨车辆采用车载储能供电单元进行供电,这也使得越来越多的变流装置需集成双向DC/DC车载充电功能单元。目前,含双向DC/DC车载充电功能单元的变流器发热元件主要有逆变模块、弓网供电滤波电抗器及储能单元供电滤波电抗器,整柜风道多采用L型或T型风道设计,用一个离心风机同时对变流器内的逆变模块、弓网供电滤波电抗器及储能单元供电滤波电抗器同时进行冷却,这就要求冷却风机要有足够大的风量、风压,从而导致冷却风机的功耗会比较高,整柜的风噪比较大,进而影响整车的乘坐舒适性。
发明内容
针对上述现有技术中的问题,本申请提出了一种自适应冷却的电气设备及其冷却方法,其通过自适应调节风道开关及风量大小,能够满足功率模块和滤波电抗器散热最优、冷却风机功耗最小、气动噪声最小、提升整车的乘坐舒适性,实现车载储能轻轨车辆牵引系统变流装置节能、降噪的目的。
第一方面,本发明提供了一种自适应冷却的电气设备,包括第一控制器、冷却组件以及至少一个发热元件,所述冷却组件包括风机、至少一个风道挡板以及第二控制器,其中,至少一个所述发热元件与所述风机之间的风道相互独立,所述风道挡板设置于所述风道上;所述第一控制器用于:根据所述电气设备的工作模式信息指示所述第二控制器打开或关闭所述风道;根据所述电气设备内的温度信息控制所述风机调节风量大小。通过该电气设备,利用控制器根据工作模式确定工作中的发热元件,并据此指示打开或关闭相应风道,使得风机仅仅针对工作中的发热元件冷却,避免了无效冷却;同时根据电气设备内的各个部件的温度信息,控制风机的风量,使得在满足冷却要求的情况下,有效降低风机的功耗和风噪。
在第一方面的一个实施方式中,所述电气设备为变流器,所述发热元件为滤波电抗器,所述电气设备的主逆变模块靠近所述电气设备的进风口设置。
在第一方面的一个实施方式中,所述电气设备包括弓网供电滤波电抗器和车载储能单元供电滤波电抗器,所述控制器为中央控制器。通过该实施方式,能够利用中央控制器根据变流器的工作模式确定工作中的发热元件,并据此指示打开或关闭相应风道,使得风机仅仅针对工作中的发热元件冷却,避免了无效冷却;同时根据电气设备内的各个部件的温度信息,控制风机的风量,使得在满足冷却要求的情况下,有效降低风机的功耗和风噪,提高了乘车舒适性。
在第一方面的一个实施方式中,所述主逆变模块上集成有双向DC/DC充电功能单元和主逆变功能单元。
在第一方面的一个实施方式中,所述电气设备还包括温度信息采集系统和工作模式监测系统。
在第一方面的一个实施方式中,所述温度信息包括所述至少一个发热元件的温度以及所述电气设备的进风口的温度。
在第一方面的一个实施方式中,所述风机为离心风机。
第二方面,本申请还提供了第一方面及其实施方式的电气设备的冷却方法,该冷却方法包括:所述第一控制器根据所述电气设备的工作模式信息以及温度信息向所述第二控制器发送第一指令,并向所述风机发送第二指令;以及所述第二控制器根据所述第一指令控制至少一个所述发热元件与所述风机之间的风道的打开或关闭,所述风机根据所述第二指令调节风量。
在第二方面的一个实施方式中,所述冷却方法还包括:温度采集系统采集所述电气设备的部件温度并向所述第一控制器发送所述温度信息;以及工作模式监测系统监测所述电气设备的工作模式并向所述第一控制器发送所述工作模式信息。
本申请提供的自适应冷却的电气设备及其冷却方法,相较于现有技术,能够根据工作模式确定需要冷却的目标发热元件,并相应自适应地打开风道,同时关闭不需要冷却的发热元件的通道,实现了针对性的散热,避免无效散热;另外,根据电气设备内的部件温度信息控制风机调节风量大小,使得在满足散热要求的条件下实现散热最优、风机功耗最小、气动噪声最小。在该电气设备用于轨道交通车辆的变流器时,能够实现牵引系统变流装置节能、降噪的目的,提高乘坐舒适性。
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代,只要能够达到本发明的目的。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中:
图1显示了现有技术的电气设备的冷却风道布置的示意图;
图2显示了现有技术的变流器主电路原理图;
图3显示了根据本发明实施例的变流器的冷却布置示意图;
图4显示了根据本发明实施例的变流器的冷却方法的示意性流程图。
附图标记清单:
100-变流器;110-冷却组件;111-风机;112A-第一风道挡板;112B-第二风道挡板;113-风道挡板控制器;121-弓网供电滤波电抗器;122-车载储能单元供电滤波电抗器;130-中央控制单元;140-主逆变模块;141-双向DC/DC充电功能单元;142-主逆变功能单元;150-工作模式监测系统;160-温度信息采集系统。
在附图中,相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
图1显示了现有技术中两种常见的冷却风道的结构示意图。以变流器为例,如图1所示,在变流器100内部设置有风机111以及至少一个滤波电抗器(图中示出为弓网供电滤波电抗器121和车载储能单元供电滤波电抗器122),箭头表示的是冷却空气流动的方向,其中,(a)示出的“L”型的风道布置,即滤波电抗器采用串联冷却方式,其与风机之间的风道部分地重合;(b)示出的是“T”型的风道布置,及滤波电抗器采用并联冷却方式,其与风机之间的冷却风道相互独立,彼此之间互不干扰。目前电气设备的冷却系统设计是将所有的发热元件同时冷却,而不考虑某些发热元件是否处于工作状态,这样就存在一些无效散热,导致风机的功耗会比较高,整柜的风噪比较大。
本申请在图1中的(b)所示的“T”型风道布置的基础上进行改进,在电气设备内设置冷却组件以及至少一个发热元件,该冷却组件包括风机(优选为离心风机)、在每个发热元件与风机之间的风道上设置的风道挡板以及第二控制器(风道挡板控制器)。每个风道挡板均可以在风道挡板控制器的控制下独立地打开或关闭,以使相应风道通畅和阻断。
本申请提供的电气设备还可以包括第一控制器,该第一控制器用于获取该电气设备的工作模式以及各个发热部件(工作状态的发热部件)的温度信息,并根据工作模式确定所有发热元件中处于工作状态的发热元件(不同工作模式下的发热元件不同),并据此指示风道挡板控制器打开或关闭相应的风道挡板,即打开处于工作状态的发热元件的风道挡板,关闭不处于工作状态的发热元件的风道挡板,实现针对性的冷却,避免无效散热的情况。同时,该第一控制器还根据获取的发热元件的温度信息,控制风机调节风量大小,实现在满足散热要求的情况下降低风机功耗和噪声。
从本申请提供的电气设备的冷却原理出发,可以理解,该电气设备可以为多种形式,其设置有并联冷却多个发热元件以及冷却组件,控制器可以根据散热需求对冷却风道进行选择性打开和关闭。该电气设备例如为变流器、调压器、发电机、充电机等。为了清楚的目的,本申请在下文将以轨道列车上安装的变流器为例进行详细的解释和说明。
图2为一个典型的弓网、车载储能单元联合供电的变流器主电路原理图。其中弓网是轻轨线路基础供电设施提供DC750V直流电,车载储能单元是车载蓄电池或超级电容提供DC300-500V左右直流电。主要元件包括弓网供电滤波电抗器、车载储能单元滤波电抗器、双向DC/DC充电功能单元及主逆变功能单元。其中,双向DC/DC充电功能单元及主逆变功能单元集成在主逆变模块上。因此变流器装置内需要冷却的三大发热元件是弓网供电滤波电抗器、车载储能单元滤波电抗器及主逆变模块,并可以通过图1所示的“L”型风道或“T”型风道进行冷却,而无论哪种方式,都是考虑将三者同时冷却,这就导致风机的功耗会比较高,整柜的风噪比较大,进而影响整车的乘坐舒适性。
图3示出了本发明提供的变流器100结构示意图。如图3所示,在变流器100内设置冷却组件110、至少一个滤波电抗器(图中示出为弓网供电滤波电抗器121和车载储能单元供电滤波电抗器122)以及主逆变模块140(其上集成有双向DC/DC充电功能单元141和主逆变功能单元142,如图2所示),该冷却组件110包括风机111、在每个滤波电抗器与风机111之间的风道上设置的第一风道挡板112A、第二风道挡板112B以及风道挡板控制器113。每个风道挡板均可以在风道挡板控制器113的控制下独立地打开或关闭,以使相应风道通畅和阻断。
如图3所示,该变流器100还可以包括中央控制单元(Drive Control Unit,简称“DCU”)130,该中央控制单元130用于获取该变流器100的工作模式以及各个发热部件(工作状态的发热部件,包括滤波电抗器和主逆变模块)的温度信息,并根据工作模式确定所有滤波电抗器中处于工作状态的滤波电抗器(不同工作模式下的滤波电抗器不同),并据此指示风道挡板控制器113打开或关闭相应的风道挡板112,即打开处于工作状态的滤波电抗器的风道挡板,关闭不处于工作状态的滤波电抗器的风道挡板,实现针对性的冷却,避免无效散热的情况。同时,该中央控制单元130还根据获取的滤波电抗器的温度信息,控制风机111调节风量大小,实现在满足散热要求的情况下降低风机功耗和噪声。
具体地,通过分析图2所示的弓网、车载储能联合供电的变流器主电路原理,可知一般的变流器会有以下4种典型的工作模式:
工作模式1:弓网供电牵引工作模式,即电能从弓网通过弓网供电滤波电抗器121及主逆变功能单元142输送到牵引电机;
工作模式2:车载储能单元供电牵引工作模式,即电能从储能供电电压通过车载储能单元供电滤波电抗器122经双向DC/DC充电功能单元141升压后送达主逆变功能单元142最后输送到牵引电机;
工作模式3:弓网给车载储能单元充电工作模式,即电能从弓网通过弓网供电滤波电抗器121经双向DC/DC充电功能单元141降压再通过车载储能单元供电滤波电抗器122后输送至车载储能单元;
工作模式4:制动能量给车载储能单元充电工作模式,制动过程中牵引电机相当于发电机,电能从牵引电机经过主逆变功能单元142、双向DC/DC充电功能单元141及车载储能单元供电滤波电抗器122输送至车载储能单元。
相对应地,结合图2,每种工作模式下,需要冷却的发热元件如下:
工作模式1:弓网供电滤波电抗器121及主逆变模块140;
工作模式2:车载储能单元供电滤波电抗器122及主逆变模块140;
工作模式3:弓网供电滤波电抗器121、车载储能单元供电滤波电抗器122及主逆变模块140;
工作模式4:车载储能单元供电滤波电抗器122及主逆变模块140。
通过分析发现,四种工作模式下主逆变模块140都需要冷却,因此将主逆变模块140放在风机前端,而大部分工作模式下弓网供电滤波电抗器121、车载储能单元供电滤波电抗器122是不需要同时冷却的,将两个电抗器放在风机后端,通过控制风道挡板的开关来实现滤波电抗器冷却的控制。各工作模式下风道挡板的开关情况如下:
工作模式1:第一风道挡板112A打开、第二风道挡板112B关闭;
工作模式2:第一风道挡板112A关闭、第二风道挡板112B打开;
工作模式3:第一风道挡板112A打开、第二风道挡板112B打开;
工作模式4:第一风道挡板112A关闭、第二风道挡板112B打开。
DCU130是变流装置的中央控制器,DCU130通过采集相应的监控数据并通过计算分析,对相应设备发出指令,从而实现其对变流装置的控制,下面详述本发明涉及到的数据采集的用途及指令控制的含义:
1、变流器工作模式监测反馈:工作模式监测系统150监测变流器100目前所处的工作状况并将工作模式信息发送给变流器100,不同工作状况下发热元件不一样,风道挡板的开关情况也不一样,不同工作模式下发热元件数量不一样,总的发热量也不一样,从而导致变流装置需要的冷却风量也不样。
2、温度信息采集反馈:温度信息采集系统160主要负责采集进风口空气温度、弓网供电滤波电抗器121、车载储能单元供电滤波电抗器122及主逆变模块140的温度信息,由于这些温度与冷却系统的风量强相关,因此需要实时采集这些温度数据用于风量的计算及调节。
3、风道挡板开关指令:通过DCU130监测到的工作模式信息,向风道挡板控制器113发出相应指令,令风道挡板的开关状态处于相应工作模式要求下。
4、风量调整指令:通过DCU130监测到的工作模式信息及温度数据,计算当前工作模式下变流装置所需的冷却风量,并发出风量调整指令控制冷却风机111实现风量的实时调节。
图4示出了本发明提供的自适应冷却的变流器100的冷却方法200的示意性流程图。如图所示,该冷却方法200包括:
S210,中央控制单元130根据所述变流器100的工作模式信息以及温度信息向所述风道挡板控制器113发送第一指令(风道挡板开关指令),并向所述风机111发送第二指令(风量调整指令);以及
S220,所述风道挡板控制器113根据所述第一指令控制至少一个所述滤波电抗器与所述风机111之间的风道的打开或关闭,所述风机111根据所述第二指令调节风量。
在上文中已经结合图3所示的变流器100的冷却布置对该S210和S220进行了详细的介绍,在此不作赘述。
本申请提供的自适应冷却的电气设备及其冷却方法,相较于现有技术,能够实现根据工作模式确定需要冷却的目标发热元件,并相应打开风道,同时关闭不需要冷却的发热元件的通道,实现了针对性的散热,避免无效散热;另外,根据电气设备内的部件温度信息控制风机调节风量大小,使得在满足散热要求的条件下实现散热最优、风机功耗最小、气动噪声最小。在该电气设备用于轨道交通车辆的变流器时,能够实现牵引系统变流装置节能、降噪的目的,提高乘坐舒适性。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明,但是应该理解的是,这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是,可以对示例性的实施例进行许多修改,并且可以设计出其他的布置,只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是,可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是,结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (9)
1.一种自适应冷却的电气设备,其特征在于,包括第一控制器、冷却组件以及至少一个发热元件,所述冷却组件包括风机、至少一个风道挡板以及第二控制器,其中,至少一个所述发热元件与所述风机之间的风道相互独立,所述风道挡板设置于所述风道上;
所述第一控制器用于:
根据所述电气设备的工作模式信息指示所述第二控制器打开或关闭所述风道;
根据所述电气设备内的温度信息控制所述风机调节风量大小。
2.根据权利要求1所述的电气设备,其特征在于,所述电气设备为变流器,所述发热元件为滤波电抗器,所述电气设备的主逆变模块靠近所述电气设备的进风口设置。
3.根据权利要求2所述的电气设备,其特征在于,所述电气设备包括弓网供电滤波电抗器和车载储能单元供电滤波电抗器,所述第一控制器为中央控制单元。
4.根据权利要求3所述的电气设备,其特征在于,所述主逆变模块上集成有双向DC/DC充电功能单元和主逆变功能单元。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电气设备,其特征在于,所述电气设备还包括温度信息采集系统和工作模式监测系统。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的电气设备,其特征在于,所述温度信息包括所述至少一个发热元件的温度以及所述电气设备的进风口的温度。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的电气设备,其特征在于,所述风机为离心风机。
8.一种如权利要求1至7中任一项所述的电气设备的冷却方法,其特征在于,包括以下步骤:
所述第一控制器根据所述电气设备的工作模式信息以及温度信息向所述第二控制器发送第一指令,并向所述风机发送第二指令;以及
所述第二控制器根据所述第一指令控制至少一个所述发热元件与所述风机之间的风道的打开或关闭,所述风机根据所述第二指令调节风量。
9.根据权利要求8所述的冷却方法,其特征在于,所述冷却方法还包括:
温度采集系统采集所述电气设备的部件温度并向所述第一控制器发送所述温度信息;以及
工作模式监测系统监测所述电气设备的工作模式并向所述第一控制器发送所述工作模式信息。
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CN114521097A (zh) * | 2022-02-22 | 2022-05-20 | 南京巨鲨显示科技有限公司 | 一种智能散热方法及其装置 |
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