CS273509B1

CS273509B1 - System of high-duty semiconductor frequency converter's liquid cooling

Info

Publication number: CS273509B1
Application number: CS179486A
Authority: CS
Inventors: Milan Ing Blecher; Jindrich Ing Filip; Jindrich Ing Latal; Miloslav Ing Novotny; Josef Ing Sima
Original assignee: Milan Ing Blecher; Jindrich Ing Filip; Jindrich Ing Latal; Novotny Miloslav; Sima Josef
Priority date: 1986-03-15
Filing date: 1986-03-15
Publication date: 1991-03-12
Also published as: CS179486A1

Abstract

Each power box of the converter has its own double-circuit cooling system with circular pump positioned together with outlets and electrodes of the gravity supervision on the flow through on the equalising tank.<IMAGE>

Description

Předmětem vynálezu je systém kapalinového chlazení výkonového polovodičového měniče frekvence pro indukční středofrekvenční elektrotepelnou techniku s dvojokruhovým chlazením.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention relates to a liquid cooling system of a power semiconductor frequency converter for induction mid-frequency electroheat technology with dual-circuit cooling.

Spolehlivost výkonové polovodičové techniky je určena především spolehlivostí chlazení. U indukční středofrekvenční elektrotepelné techniky, pracující v rozmezí výkonů 20 až 5 000 k'ff při jmenovité pracovní frekvenci 0,2 až 30 kHz je převládajícím způsobem chlazení rozhodujících Živých částí včetně kondenzátorů průtočné kapalinové, zpravidla vodní chlazení, které umožňuje velmi intenzívní odvod ztrátového tepla, velmi často přímo z míst jeho vývinu. Proto je kapalinové chlazení převládajícím řešením chlazení i u výkonových polovodičových měničů kmitočtu pro indukční středofrekvenční elektrotepelnou techniku. V zásadě jsou využívány dva druhy kapalinového chlazení měničů, s přímých průtokem vnější chladicí kapaliny a dvojokruhové, kdy součástkám odebírá teplo kapalina tzv, vnitřního okruhu, která potom ztrátové teplo předává vnější chladící kapalino, zpravidla vodě, v tepelném výměníku kapalina-kapalina. Nevýhodou první varianty, kdy kapalina vnějšího okruhu přímo protéká elektronickým zařízením, je především značná závislost chlazení na čistotě, chemickém složení i mechanických parametrech vnější kapaliny; není žádnou zvláštností, že v době spotřební špičky tlak místo nominálního rozmezí 150 až 400 kPa poklesne na 100 kPa a naopak v noční směně je možno zaznamenat i rázy 800 kPa. Při prvním extrému dojde k nedostatečnému chlazení, při druhém extrému je reálné nebezpečí porušení zejména míst spojů hadic s chlazenými součástmi a dalšími armaturami atd. Druhá varianta, běžné dvojokruhové chlazení, je charakterizována centrálním provedením, tedy s jedním ústředním tepelným výměníkem kapalina-kapalina, s jedním ústředním oběhovým čerpadlem, když nepočítáme případné rezervy. Při běžném dvojokruhovém chlazení s centrálním provedením tedy jeden ústřední tepelný výměník kapalina-kapalina a jedno ústřední oběhové čerpadlo odvádí ztrátové teplo ze všech silových skříní měniče. Přitom pouze měniče nejmenších výkonů mívají jen jednu silovou skříň, běžně má měnič z důvodu nutnosti paralelního řazení'výkonových polovodičových součástek počet silových skříní vyšší. Ústřední provedení s dlouhými rozvody pak má sa následek ponechání tlaku vody na úrovni běžné vodovodní sítě, tedy nad 150 kPa - spolu s nutností řadit jednotlivé kapalinové chladiče do série, a tuk snížit počet chladicích obvodů a množství použitých hadic. Běžné dvojokruhové chlazení odstranilo tlakové rázy v potrubí, ale úroveň tlaku použité vody so nesnížila, v četných případech se dokonce zvýšila, což opět zvyšuje riziko porušení horinetičnosti sekundárního vodního chladicího okruhu. Řazení kapalinových chladičů výkonových polovodičových součástek do série však má za následek snížení životnosti chlazených polovodičových součástek; jejich životnost zákonitě klesá s rostoucí teplotou jejich funkčního systému, Kapalina vycházející z prvního kapalinového chladiče již zvýšila svoji teplotu odvodem příslušných ztrát, do druhého kapalinového chladiče tedy vstupuje se zvýšenou teplotou, do třetího s ještě vyšší teplotou atd. Jednotlivé výkonové polovodičové součástky tedy mají různé podmínky pro chlazení, různou teplotu funkčního systému, tedy i různou spolehlivost. Z důvodu unifikace dochází u běžného dvouokruhového systému chlazení k předimenzování výkonů oběhového čerpadla i tepelného výměníku kapalina-kapalina. Centralizace vodního hospodářství podstatně zvyšuje nároky na prostor a na projekční zajištění. Pro centralizované vodní hospodářství je typické použití velkého nlijcmu nokutirtární chladicí kapaliny v chladicích obvodech, což aa projevujo J v mimořádně velkém objemu vyrovnávací nádrž®. Takovou vyrovnávací nádrž potom nelze využít víceúčelově, například pro instalaci vizuálních či přístrojových dohledů na průtok sekundární chladicí kapaliny v jednotlivých obvodech, pro instalaci oběhového čerpadla a podobně. V případě úniku sekundární chladicí kapaliny netěsností je množství uniklé kapaliny vždy přímo úměrné celkovému množství kapaliny v systému - u centralizovaného systému je tedy únik kapaliny vždy rozsáhlý a pravděpodobnost poškození elektronického zařízení unikající vodou vysoká. Známé způsoby mechanického dohledu na průtok v chladl3 t·The reliability of power semiconductor technology is primarily determined by the reliability of cooling. In the induction mid-frequency electrothermal technology operating in the power range of 20 to 5,000 k'ff at a nominal operating frequency of 0.2 to 30 kHz, the predominant way of cooling critical live parts, including flow capacitors, is generally water cooling, which allows very intense heat dissipation , very often directly from its development. Therefore, liquid cooling is the predominant cooling solution for power semiconductor frequency converters for induction mid-frequency electroheat technology. In principle, two types of liquid cooling of converters are used, with direct flow of external coolant and dual circuit, where the heat is removed from the internal circuit by heat, which then transfers heat to the external coolant, usually water, in the liquid-liquid heat exchanger. The disadvantage of the first variant, in which the external circuit fluid flows directly through the electronic devices, is in particular the considerable dependence of cooling on the purity, chemical composition and mechanical parameters of the external fluid; it is not a peculiarity that during peak periods, the pressure drops to 100 kPa instead of the nominal range of 150 to 400 kPa and, on the other hand, 800 kPa shocks can be recorded in the night shift. In the first extreme there is insufficient cooling, in the second extreme there is a real danger of breaking especially the joints of hoses with cooled components and other fittings etc. The second variant, common dual-circuit cooling, is characterized by a central design, ie with one central liquid-liquid heat exchanger. one central circulation pump, excluding any reserves. Thus, in a conventional dual-circuit cooling with a central design, one central liquid-to-liquid heat exchanger and one central circulation pump dissipate the heat of dissipation from all the power boxes of the inverter. In this case, only the smallest power converters have only one power cabinet, usually because of the necessity of parallel shifting of the power semiconductor devices, the number of power cabinets is higher. The central design with long distributions then has the effect of leaving the water pressure at the level of the normal water supply network, ie above 150 kPa - along with the necessity of sequencing the individual liquid coolers in series, and reducing the number of cooling circuits and the number of hoses used. Conventional dual-circuit cooling has eliminated pressure surges in the pipeline, but the pressure level of the water used has not decreased, in many cases it has even increased, which again increases the risk of disturbing the horinetity of the secondary water cooling circuit. However, the sequencing of the liquid coolers of power semiconductor devices in series results in a reduced lifetime of the cooled semiconductor devices; their lifetime decreases with increasing temperature of their functional system, the liquid coming from the first liquid cooler has already increased its temperature by draining the corresponding losses; conditions for cooling, different temperature of the functional system, thus also different reliability. Due to the unification, the performance of the circulating pump and the liquid-liquid heat exchanger is over-dimensioned in a conventional dual-circuit cooling system. Centralization of water management significantly increases the space and design requirements. Centralized water management is characterized by the use of a large nocutirtary coolant liquid in the cooling circuitry, which is manifested in an extremely large buffer tank. Such a buffer tank cannot then be used in a multipurpose manner, for example to install visual or instrumental supervision of the secondary coolant flow in individual circuits, to install a circulation pump and the like. In the case of leakage of the secondary coolant, the amount of leaked fluid is always proportional to the total amount of fluid in the system - in a centralized system, fluid leakage is always widespread and the likelihood of damage to electronic equipment by leaking water is high. Known methods of mechanical flow monitoring in chill

CS 273509 Bl cích obvodech mají tu nevýhodu, že jsou značně citlivé na mechanické nečistoty, které způsobují jejich selhávání. Známé elektrodové dohledy na průtok mají tu nevýhodu, že u nich nelze plynule nastavit ve větším rozsahu vyhodnocovací úroveň.CS 273509 Blocks have the disadvantage that they are highly sensitive to mechanical impurities that cause them to fail. The known electrode flow controls have the disadvantage that they cannot continuously adjust the evaluation level to a larger extent.

Nevýhody dosud známých řešení kapalinových chladicích systémů odstraňuje do značné míry systém kapalinového chlazení výkonového polovodičového měniče frekvence pro indukční středofrekvenční elektrotepelnou techniku s dvojokruhovým chlazením podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že každá silová skříň měniče má vlastní sekundární chladicí systém s oběhovým čerpadlem, které je umístěno na vyrovnávací nádrži společně s řadou výústek a elektrod gravitačního dohledu na průtok, elektrodami dohledu na minimální a maximální hladinu kapaliny v nádrži, tvořící tak kompaktní stavebnicovou výkonovou jednotku.Disadvantages of the prior art liquid cooling systems are largely eliminated by the liquid cooling system of the power semiconductor frequency converter for the induction mid-frequency electrothermal technique with dual-circuit cooling according to the invention, characterized in that each inverter power cabinet has its own secondary circulation pump cooling system. is located on the buffer tank together with a series of outlets and electrodes of gravity flow monitoring, electrodes for monitoring the minimum and maximum liquid levels in the tank, forming a compact modular power unit.

Podstatná výhoda systému kapalinového chlazení podle vynálezu spočívá v tom, že spojuje značnou část výhod obou dosavadních systémů a navíc umožňuje použití nízkotlakého sekundárního systému s malou pravděpodobností vzniku netěsností včetně možnosti individuálního dohledu na průtok vody s vizuální kontrolou a možností optimálního nastavení vyhodnocovací úrovně dohledu přímo v prostoru měniče a s velkým počtem paralelně řazených chladicích obvodů, což zajišiuje totožné chladicí poměry všem polovodičovým součástkám. Decentralizace sekundárních systémů do každé silové skříně měniče přináší i výhodu minimálního obsahu kapaliny v sekundárním systému, takže při poruše tes- _ nosti je množství uniklé kapaliny minimální a pravděpodobnost vzniku následných škod na elektronice podstatně snížena. Další výhodou je, že dohled na minimální hladinu kapaliny je velmi citlivý, nebo? jeho citlivost je vždy nepřímo úměrná celkovému množství kapaliny v sekundárním systému, oběhové čerpadlo je potom vypnuto s minimálním časovým zpožděním za vznikem netěsnosti. Proti oběma dosavadním systémům je podstatným přínosem možnost důsledné typizace a unifikace dvojokruhového chladicího systému, protože přiřazení jednoho sekundárního chladicího systému jedné silové skříni je nejhospodárnějším řešením bez jakéhokoliv předimenzování. Tato výhoda se projeví zvláště při větším soustředění měničů různých parametrů v jedné kovárně, slévárně či kalírně, kde podstatně poklesne sortiment náhradních dílů a zjednoduší se údržba jednotným řešením kapalinového chlazení jakéhokoliv měniče, nezávisle na jeho výkonu, frekvenci, způsobu zapojení atd. Výsledná kompaktnost nového systému při současném minimálním objemu a výjimečně malé hmotnosti umožňuje rychlou a snadnou výměnu celého systému chlazení. Tím dojde k podstatnému snížení doby odstavení zařízení pro údržbu a opravy při současném a velmi žádoucím zvýšení poměru mezi dobou údržby a oprav, Z výhod dosavadního systému přímého průtoku vnější chladicí kapalinyponechává provedení podle vynálezu malé prostorové nároky, zejména z hlediska půdorysných požadavků a malé délky spojů, přičemž zůstává i přehlednost uspořádání. Uspořádání podle vynálezu ponechává i všechny výhody druhého stávajícího systému, běžného dvojokruhového chlazení centrálního provedení. Nejdůležitější výhodou je odstranění závislosti parametrů chlazení na parametrech vnější chladicí kapaliny, zejména na tlakových rázech a na sezónním kolísání tlaku, na chemických parametrech vnější chladicí kapaliny atd.The essential advantage of the liquid cooling system according to the invention is that it combines a significant part of the advantages of both prior systems and, moreover, allows the use of a low pressure secondary system with low probability of leakage including individual water flow monitoring with visual inspection and a large number of parallel-connected cooling circuits, ensuring identical cooling conditions to all semiconductor components. Decentralizing the secondary systems into each power cabinet of the inverter also has the advantage of having a minimum fluid content in the secondary system, so that leakage failures minimize leakage and reduce the likelihood of subsequent damage to the electronics. Another advantage is that overseeing the minimum fluid level is very sensitive, or? its sensitivity is always inversely proportional to the total amount of liquid in the secondary system, the circulation pump is then switched off with a minimum time delay for leakage. Compared to both existing systems, the possibility of consistently typing and unifying the dual-circuit cooling system is a significant benefit, since assigning one secondary cooling system to one power cabinet is the most economical solution without any oversizing. This advantage is especially evident when the converters of various parameters are concentrated in one forge, foundry or hardening shop, where the spare parts assortment decreases significantly and maintenance is simplified by a single liquid cooling solution of any converter, regardless of its power, frequency, connection method etc. The system with a minimum volume and exceptionally low weight allows quick and easy replacement of the entire cooling system. This results in a significant reduction in the shutdown time of the maintenance and repair equipment, while at the same time a very desirable increase in the ratio of maintenance and repair. Due to the advantages of the existing external coolant flow system, the embodiment according to the present invention leaves little space, in particular while keeping the arrangement clear. The arrangement according to the invention also retains all the advantages of the second existing system, the conventional dual-circuit cooling of the central embodiment. The most important advantage is the elimination of the dependence of the cooling parameters on the parameters of the external coolant, in particular pressure surges and seasonal pressure fluctuations, on the chemical parameters of the external coolant, etc.

Příklad systému kapalinového chlazení výkonového polovodičového měniče frekvence 21 pro indukční středofrekvenční elektrotepelnou techniku s dvojokruhovým chlazením podle vynálezu je na obr. 3. Na obr. 1 je příklad provedení dvojokruhového chladicího systému jedné silové skříně 22 výkonového polovodičového měniče 21 a na obr. 2 je příklad provedení gravitačního dohledu na průtok.An example of a liquid cooling system of a power semiconductor frequency converter 21 for an induction mid-frequency electrothermal technique with dual-circuit cooling according to the invention is shown in Fig. 3. Fig. 1 shows an exemplary dual-circuit cooling system of a power box 22 of power semiconductor converter 21; carrying out gravity flow monitoring.

Systém chlazení je dvojokruhový. Každá silová skříň 22 výkonového polovodičového měniče 21 podle obr. 3 má vlastní sekundární chladicí systém podle obr. 1, s vlastním oběhovým čerpadlem 5. Ve spodní části každé silové skříně 22 je umístěn tepelný výměník 2 kapalina-kapalina, jehož jedna část je opatřena přívodem 17 vnější chladicí kaThe cooling system is dual circuit. Each power cabinet 22 of the power semiconductor converter 21 of FIG. 3 has its own secondary cooling system of FIG. 1, with its own circulation pump 5. At the bottom of each power cabinet 22 there is a liquid-liquid heat exchanger 2, one part of which is 17 external cooling ka

CS 273509 Bl paliny, proti němuž je umístěn odvod 18 této kapaliny. Jako kapalina se nejčastěji používá voda. Druhá část tepelného výměníku 1, která tvoří počátek vnitřního okruhu, je spojena přední hadicí jG s oběhovým čerpadlem 5 umístěným na vyrovnávací nádrži 4 a zadní hadic?' 6a a rozvaděčem 2. Jak vyrovnávací nádrž 4, tak i rozvaděč 2 jsou umístěny o výhodou ve stejné výši nad tepelným výměníkem L· Oběhové čerpadlo 5, má ponornou pracovní komoru. Na víku vyrovnávací nádrže 4 je držák 12, nesoucí jednak řadu výústek 8 a elektrod 9 gravitačního dohledu na průtok kapaliny, jednak elektrodu 11 dohledu na minimální hladinu kapaliny ve vyrovnávací nádrži 4, jednak elektrodu 10 dohledu na maximální hladinu kapaliny ve vyrovnávací nádrži 4, Vodní rozvaděč 2 je opatřen dohledem na teplotu vody a kontrolním teploměrem 16. Nad rozvaděčem 2 a vyrovnávací nádrží 4 jsou kapalinové chladiče 3 výkonových polovodičových součástek 15. Kapalinové chladiče 3 jsou propojeny z jedné strany jednou sadou propojovacích hadic 7 s rozvaděčem 2 a z druhé strany druhou sadou propojovacích hadic 7a s výústkami 8 gravitačního dohledu na průtok kapaliny. Jak vyrovnávací nádrž 4, tak i výměník tepla 1 jsou opatřeny každý vypouštěcím ventilem 13 umožňujícím odvodnění celého vnitřního okruhu při znečištění chladicí kapaliny. Obě sady propojovacích hadic 7, 7a spolu 3 kapalinovými chladiči 3 a výústkami 3 dohledu na průtok tvoří paralelní chladicí obvody. Takto jsou všechny hydraulické obvody dvojokruhového systému chlazení umístěny přímo ve výkonovém měniči, a tvoří tak kompaktní stavebnicovou výkonovou jednotku.CS 273509 B1 of the plant against which the outlet 18 of the liquid is placed. Water is most often used as a liquid. The second part of the heat exchanger 1, which forms the beginning of the inner circuit, is connected by the front hose 18 to the circulation pump 5 located on the buffer tank 4 and the rear hose. 6a and distributor 2. Both the buffer tank 4 and the distributor 2 are preferably located at the same height above the heat exchanger L. The circulation pump 5 has a submersible working chamber. On the cover of the surge tank 4 there is a holder 12 carrying both a row of outlets 8 and electrodes 9 of gravity supervision for fluid flow, on the other hand an electrode 11 for monitoring the minimum level of liquid in the surge tank 4 the distributor 2 is provided with a water temperature monitoring and a control thermometer 16. Above the distributor 2 and the buffer tank 4 there are liquid coolers 3 of power semiconductor components 15. The liquid coolers 3 are connected from one side by one set of connecting hoses 7 to the distributor 2 and from the other by the other set connection hoses 7a with gravity monitoring outlets 8 for fluid flow. Both the buffer tank 4 and the heat exchanger 1 are each provided with a drain valve 13 allowing drainage of the entire inner circuit when the coolant is contaminated. Both sets of interconnecting hoses 7, 7a together with 3 liquid coolers 3 and flow supervision outlets 3 form parallel cooling circuits. In this way, all the hydraulic circuits of the dual circuit cooling system are located directly in the power converter, thus forming a compact modular power unit.

Vnější chladicí kapalina se přivádí přívodem 17 do tepelného výměníku _1, kde ochlasuje vnitřní kapalinu a odvodem 18 se odvádí zpět. Po spuštění oběhového čerpadla 2 ae chladicí kapalina čerpá z vyrovnávací nádrže 4 a jde přední hadicí G do tepelného výměníku 1, odkud je vedena zadní hadicí 6a do rozvaděče 2, odtud první sadou propojovacích hadic 2 k jednotlivým kapalinovým chladičům 2» přičemž se chladí výkonové polovodičové součástky 15. Z kapalinových chladičů 3 jde kapalina druhou sadou propojovacích hadic 7a do výústek 8 gravitačního dohledu na průtok. Z nich kapalina stéká do vyrovnávací nádrže 4, odkud je opět odčerpávána oběhovým čerpadlem 5· Při poklesu hladiny kapaliny ve vyrovnávací nádrži 4 přestane být elektroda 11 dohledu na minimální hladinu kapaliny ponořena a přeruší se signalizační okruh. Když vystoupí hladina ve vyrovnávací nádrži 4, ponoří se elektroda 10 dohledu na maximální hladinu kapaliny a signalizační zařízení se zapne. Gravitační dohled na průtok umožňuje plynulé a vzájemně nezávislé nastavení vyhodnocení poklesu průtoku vody v jednotlivých obvodech volbou ostrého úhlu alfa mezi vodorovnou rovinou a výústkami 8 gravitačního dohledu na průtok nebo posunutím výústky 8 gravitačního dohledu či elektrody 9 gravitačního dohledu, zajišťovaných v nastavené poloze stavěcími šrouby 19. Při dostatečném průtoku chladicí kapaliny je kapalinou elektricky propojena výústka 8 gravitačního dohledu s elektrodou 9 dohledu. V případě, že z nějakého důvodu dojde ke snížení průtoku chladicí kapaliny, nastane působením gravitační síly odchýlení kapalinového paprsku, Přeruší se tak elektrický kontakt výústky 8 gravitačního dohledu s elektrodou 9 gravitačního dohledu. Vyhodnocovací jednotka zajistí odstavení výkonové části výkonového polovodičového měniče 21 z činnosti.The external coolant is fed through the inlet 17 to the heat exchanger 1, where it cools the inner coolant and is removed via the outlet 18. After the circulation pump 2 is started, the coolant is pumped from the buffer tank 4 and goes through the front hose G to the heat exchanger 1 from where it is led through the rear hose 6a to the distributor 2, from there through the first set of connecting hoses 2 to the individual liquid coolers 2 »while cooling the power semiconductor From the liquid coolers 3, the liquid goes through the second set of interconnecting hoses 7a to the gravity flow outlets 8. From these, the liquid flows to the buffer tank 4, from which it is pumped again by the circulation pump 5. When the liquid level in the buffer tank 4 drops, the electrode 11 for monitoring the minimum liquid level stops immersing and the signal circuit is interrupted. When the level in the buffer tank 4 rises, the supervision electrode 10 sinks to the maximum liquid level and the signaling device is switched on. Gravity flow monitoring allows a smooth and independent adjustment of the water flow drop evaluation in each circuit by selecting a sharp alpha angle between the horizontal and gravity flow orifices 8 or by moving gravity flow orifice 8 or gravity supervision electrode 9 secured in position by adjusting screws 19 When the coolant flow is sufficient, the gravity supervision outlet 8 is electrically connected to the supervision electrode 9 by the fluid. If, for some reason, the coolant flow decreases, the fluid jet is deflected by the force of gravity, thus breaking the electrical contact of the gravity surveillance outlet 8 with the gravity surveillance electrode 9. The evaluation unit ensures that the power section of the power semiconductor converter 21 is shut down.

Claims

1 »Power semiconductor frequency converter liquid cooling system for induction mid-frequency electrothermal technology with dual circuit cooling, consisting of a liquid-liquid heat exchanger, one part of which is provided with an inlet and outlet of an external coolant, the other part of which forms the beginning of the inner circuit one side with a circulation pump connected to a buffer tank and with

CS 273509 Bl. 4 on the other side to a switchboard supplying, on one side, the liquid coolers of power semiconductor devices, which are in turn connected to the liquid flow supervision amounts, characterized in that each power box (22) of the power semiconductor converter (21) has its own dual circuit a circulating pump liquid cooling system (5) located on the buffer tank (4) together with a series of obliquely directed gravity flow monitoring diffusers (8) and vertical gravity flow monitoring electrodes (9),

Liquid cooling system according to claim 1, characterized in that the electrodes (9) and the gravity flow outlet diffusers (8) are independently axially displaceable.