KR20140040944A

KR20140040944A - 단일 모듈화된 공냉식 쿨러를 포함하는 컨버터 시스템

Info

Publication number: KR20140040944A
Application number: KR1020120107635A
Authority: KR
Inventors: 안희원
Original assignee: 삼성중공업 주식회사
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2014-04-04
Also published as: KR101411413B1

Abstract

단일 모듈화된 공냉식 쿨러를 포함하는 컨버터 시스템이 개시된다. 컨버터 시스템은, 상부층에 리액터부가 위치하고, 하부층에 IGBT 스택부가 위치하며, 서로 버스바로 연결되는 복수의 단위 모듈, 및 외부에서 유입되는 냉각수를 이용하여 내부 유로를 따라 순환하는 공기를 냉각시키는 열교환기부와, 상기 열교환기부에서 냉각된 공기를 상기 내부 유로를 따라 진행시키는 냉각팬부를 포함하는 공냉식 쿨러를 포함하되, 상기 공냉식 쿨러는 상기 복수의 단위 모듈의 상부에 위치할 수 있다.

Description

단일 모듈화된 공냉식 쿨러를 포함하는 컨버터 시스템{Converter system including air cooling type single module cooler}

본 발명은 단일 모듈화된 공냉식 쿨러를 포함하는 컨버터 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 풍력 발전 시스템 등에서는 교류, 직류와 같은 전압 특성 변환을 위해 컨버터 시스템이 이용되고 있으며, 이러한 컨버터 시스템의 발열 문제를 해결하는 것은 풍력 발전 시스템의 안정화를 위해서 중요한 부분이다.

컨버터 시스템에 있어서 발열에 가장 취약한 부분은 리액터 판넬부에 위치한 수냉식 리액터와, 스택부에 위치한 공냉식 리액터 및 버스바이다. 수냉식 리액터의 경우 리액터의 구조 개선을 통해 발열을 어느 정도 억제하는 것이 가능하나, 스택부의 공냉식 리액터 및 버스바의 경우에는 발열 개선이 어려웠다.

버스바의 온도가 기준치 이상으로 상승하게 되면 버스바의 성능이 하락하게 되며, IGBT 스택 등의 온도 상승으로까지 이어질 수도 있다. 따라서, 컨버터 시스템의 각 구성요소에 대하여 일정 온도 이하로 냉각시켜 주는 것은 각 소자의 수명 문제에 대해서도 중요한 부분이다.

도 1은 종래 컨버터 시스템의 구조를 나타내는 정면도 및 측면도이다. 도 1의 (a)는 컨버터 시스템의 정면도이며, 도 1의 (b)는 컨버터 시스템의 측면도이다.

컨버터 시스템은 열교환기(40) 및 냉각팬(30)이 스택부(10)의 하부에 위치하며, 리액터부(20)가 스택부(10)의 상부에 위치한다. 열교환기(40)에서 냉각된 공기는 냉각팬(30)에 의해 상 방향으로 이동하며 스택부(10)를 거쳐 리액터부(20)로 전달된다. 측면도에서 리액터부(20) 사이에는 AC 버스바(50)가 연결되고, 냉각팬(30) 및 열교환기(40) 사이에는 DC 버스바(55)가 연결되며, 스택부(10) 사이에도 버스바가 연결되어 있다.

이러한 구조에서는 공기가 전달되는 경로에 있어서 컨버터 시스템의 내부 구조물 등과 같이 공기의 원활한 흐름을 방해하는 요소들이 많이 있다. 따라서, 리액터부(20)에 전달되는 공기의 양이 많지 않아 냉각 효율이 높지 않은 단점이 있다.

또한, 스택부(10) 안에 위치하는 소자들(예를 들어, 인버터, IGBT 등)은 공기에 의한 냉각 효율보다는 냉각수에 의한 냉각 효율이 훨씬 높기 때문에 도 1에 도시된 것과 같이 냉각팬(30)을 이용하여 냉각해 주는 방법은 비효율적인 방법에 해당한다.

본 발명은 컨버터 시스템의 냉각 구조를 변경하여 열교환기 및 냉각팬을 하나의 단일 모듈로 설계함으로써 유지 보수에 유리하고 냉각 효율을 향상시키며 리액터에 보다 많은 공기가 전달될 수 있도록 하는 단일 모듈화된 공냉식 쿨러를 포함하는 컨버터 시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 열교환기 및 냉각팬이 최상부에 위치함으로써 공기의 대류 현상을 통해 공기의 순환이 기존 방식보다 훨씬 원활하게 이루어지는 단일 모듈화된 공냉식 쿨러를 포함하는 컨버터 시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상부층에 리액터부가 위치하고, 하부층에 IGBT 스택부가 위치하며, 서로 버스바로 연결되는 복수의 단위 모듈; 및 외부에서 유입되는 냉각수를 이용하여 내부 유로를 따라 순환하는 공기를 냉각시키는 열교환기부와, 상기 열교환기부에서 냉각된 공기를 상기 내부 유로를 따라 진행시키는 냉각팬부를 포함하는 공냉식 쿨러를 포함하되, 상기 공냉식 쿨러는 상기 복수의 단위 모듈의 상부에 위치하는 컨버터 시스템이 제공된다.

상기 공냉식 쿨러와 상기 복수의 단위 모듈 사이에 개재되며, 상기 복수의 단위 모듈의 상부면을 모두 커버하는 덕트를 더 포함하되, 상기 공냉식 쿨러의 냉각된 공기가 상기 덕트를 따라 상기 복수의 단위 모듈로 전달될 수 있다.

상기 단위 모듈은 상기 리액터부와 상기 IGBT 스택부 사이에 전도성 없는 물질로 제조된 가림판이 개재될 수 있다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 컨버터 시스템의 냉각 구조를 변경하여 열교환기 및 냉각팬을 하나의 단일 모듈로 설계함으로써 유지 보수에 유리하고 냉각 효율을 향상시키며 리액터에 보다 많은 공기가 전달될 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 열교환기 및 냉각팬이 최상부에 위치함으로써 공기의 대류 현상을 통해 공기의 순환이 기존 방식보다 훨씬 원활하게 이루어지는 효과가 있다.

도 1은 종래 컨버터 시스템의 구조를 나타내는 정면도 및 측면도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 모듈화된 공냉식 쿨러를 포함하는 컨버터 시스템의 정면 사시도,
도 3은 도 2에 도시된 단일 모듈화된 공냉식 쿨러를 포함하는 컨버터 시스템의 측면도,
도 4는 종래 컨버터 시스템의 열교환기와 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기의 비교 도면.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 모듈화된 공냉식 쿨러를 포함하는 컨버터 시스템의 정면 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 단일 모듈화된 공냉식 쿨러를 포함하는 컨버터 시스템의 측면도이며, 도 4는 종래 컨버터 시스템의 열교환기와 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기의 비교 도면이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 컨버터 시스템(100), 케이스(105), IGBT 스택부(110), 리액터부(120), 냉각팬부(130), 열교환기부(140), 덕트(150), 가림판(160), 제동저항(170), 버스바(bus bar)(180)가 도시되어 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터 시스템은 냉각팬부와 열교환기부를 포함하는 공냉식 쿨러가 단일 모듈로 구성되어 있어 냉각 효율이 향상되고, 최상부에 위치하고 있어 공기의 대류 현상을 이용하여 공기의 순환이 훨씬 원활히 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터 시스템(100)는 단일 모듈화된 공냉식 쿨러(200) 및 공냉식 쿨러(200)에서 전달되는 냉각된 공기에 의해 냉각되는 복수의 단위 모듈(300)을 포함한다.

단위 모듈(300)은 리액터부(120) 및 IGBT 스택부(110)를 포함하며, 리액터부(120)가 IGBT 스택부(110)의 상부에 위치한다. 도면에서는 6개의 단위 모듈(300)이 3x2 구조로 배치되어 있는 경우가 예시되어 있다.

IGBT 스택부(110) 내에 위치하는, 예를 들어 IGBT 등의 소자들은 냉각수를 이용한 수냉 방식의 효율이 매우 크며, 내부 구조의 복잡성으로 인해 공기의 원활한 흐름을 방해한다. 따라서, 본 실시예에서는 IGBT 스택부(110) 내부로는 공기가 통하지 않도록 하고, 수냉 방식의 냉각이 이루어지도록 한다. 이를 위해 리액터부(120)와 IGBT 스택부(110) 사이에 전도성 없는 물질로 제조된 가림판(160)을 개재하여, 리액터부(120)를 통과한 공기가 IGBT 스택부(110)로 전달되지 않도록 한다.

공냉식 쿨러(200)는 냉각팬부(130) 및 열교환기부(140)를 포함한다.

열교환기부(140)는 외부에서 유입되는 냉각수를 이용하여 내부 유로를 따라 순환하는 공기를 냉각시키며, 냉각팬부(130)는 열교환기부에서 냉각된 공기를 내부 유로를 따라 진행시킨다.

냉각팬부(130)가 열교환기부(140)의 상부에 위치하고 있으며, 공냉식 쿨러(200)가 복수의 단위 모듈(300) 상부에 위치하고 있어 열교환기부(140)에 의해 냉각된 공기가 냉각팬부(130)에 의해 하 방향으로 전달되어 복수의 단위 모듈(300) 각각에 전달될 수 있다.

도 1에 도시된 종래 컨버터 시스템의 경우에는 복수의 단위 모듈 각각에 대하여 그 하부에 별도의 공냉식 쿨러가 구비된 형태를 가지고 있었다. 이에 비해 본 실시예에서는 공냉식 쿨러(200)를 단일 모듈화하여 복수의 단위 모듈(300)의 전체 단면적보다 작은 단면적을 가지면서도 동일하거나 우수한 냉각 효율을 가지도록 할 수 있다.

공냉식 쿨러(200)에 포함되는 열교환기부(140)를 한 개의 단일 모듈로 설계하면, 냉각수가 열교환기부(140)를 통해 흐를 때 유체저항이 작아지게 되어 동일한 펌프 용량으로도 더 많은 냉각수를 흐르게 할 수 있어 냉각 효율이 좋아진다.

도 4를 참조하면, 종래 컨버터 시스템에 포함된 열교환기(40)(도 4의 (a) 참조)와, 본 실시예에 따른 열교환기부(140)(도 4의 (b) 참조)가 도시되어 있다.

종래 열교환기(40)의 경우, 복수의 단위 모듈 각각에 대해 개별적으로 설치되어 있으며, 이로 인해 열교환기(40)의 부피를 크게 할 수 없어 열교환기(40) 내부의 유로를 구성하는데 있어서 유관(43)의 단면적이 제한될 수 밖에 없다. 즉, 열교환기(40)에 이용가능한 유관(43)의 지름에 대하여 한계가 있는 단점이 있다.

이에 비해 본 실시예에 따른 열교환기부(140)의 경우, 구조는 동일하지만 열교환기부(140)의 부피가 훨씬 커짐으로 인해 열교환기부(140) 내부의 유관(143)의 지름을 증가시킬 수 있다. 유관(143)의 길이가 짧을수록 혹은 유관(143)의 지름이 클수록 유관(143)을 흐르는 냉각수의 저항은 작아지게 되며, 동일 출력의 냉각수 펌프에 대해서도 큰 지름을 가지는 유관(143)의 경우에 냉각수가 보다 원활하게 흐르게 되어 컨버터 시스템(100) 내부의 냉각을 위한 공기와의 열교환 효율, 즉 냉각 효율이 향상될 수 있다.

즉, 종래 복수의 열교환기(40)와 비교할 때 보다 큰 사이즈로 단일 모듈화된 열교환기부(140)의 경우에는 유로를 효율적으로 구성할 수 있게 된다. 종래와 같이 복수의 열교환기(40)를 이용하는 경우에는 냉각수 유입구(41) 및 냉각수 유출구(42)를 가지는 열교환기(40)를 지지하는 프레임을 공통적으로 가지고 있어 효율적인 유로 구성이 어렵다. 하지만, 본 실시예에서와 같이 열교환기부(140)를 단일 모듈화하는 경우 냉각수 유입구(141) 및 냉각수 유출구(142)를 가지는 프레임이 차지하는 부분을 줄일 수 있어 유관의 설계 자유도가 높아짐으로써 유로를 효율적으로 구성할 수 있게 된다. 따라서, 열교환기부(140) 내부에 냉각수가 흐르는 면적 또한 종래에 비해 증가시킬 수 있어 냉각 효율을 추가적으로 향상시킬 수 있다.

다시 도 2 및 도 3을 참조하면, 단일 모듈화된 공냉식 쿨러(200)는 컨버터 시스템(100) 내 최상부에 위치하고 있으면서 덕트(150)를 통해 복수의 단위 모듈(300) 각각에 냉각된 공기를 전달한다. 덕트(150)는 전도성이 없는 금속 물질로 제조되며, 복수의 단위 모듈(300)의 상부면을 모두 커버할 수 있도록 한다.

열교환기부(140)에서 냉각된 공기는 덕트(150)에 의해 우선적으로 각 단위 모듈(300)의 상부층에 위치하는 리액터부(120)에 전달된다. 그리고 리액터부(120)를 통과한 공기는 가림판(160)에 의해 하부층의 IGBT 스택부(110)로 진행하지 못하고 복수의 단위 모듈(300) 사이의 공간으로 진행하여 버스바(180)로 전달된다.

컨버터 시스템(100)에서 냉각이 가장 필요한 부분이 리액터부(120)이며, 그 다음이 버스바(180)이다. 이 경우 본 실시예에서는 덕트(150)를 적용함으로써 열교환기부(140)에서 냉각된 공기가 리액터부(120)로 먼저 전달된 이후 버스바(180)로 전달되도록 하여 냉각 공기의 흐름을 조절하고 있다. 공냉식 쿨러(200)와 리액터부(120) 사이에 공기의 흐름을 막는 구조물이 없기 때문에 리액터부(120)에 냉각된 공기가 더 많이 전달되고, 가장 낮은 온도로 냉각된 공기가 직접 전달되어 리액터부(120)에 대한 냉각 성능이 우수하게 된다.

버스바(180)를 거치면서 뜨거워진 공기는 케이스(105)와 단위 모듈(300) 사이에 설계된 유로를 따라 컨버터 시스템(100) 상부로 이동하게 된다. 이 때 뜨거워진 공기는 상층으로 이동하고 냉각된 공기는 하층으로 이동하는 공기의 대류 현상을 이용하기 때문에 공기의 순환이 기존 방식보다 훨씬 원활하게 이루어지게 된다.

또한, 냉각팬부(130)가 단일 모듈화된 경우 기존과 같이 복수의 냉각팬을 이용하는 것에 비해 유지 보수에 유리하며, 냉각 효율이 좋아져서 소모 전력 또한 줄일 수 있을 것이다.

또한, IGBT 스택부(110)의 위치가 컨버터 시스템(100)의 하부에 위치하게 되어 IGBT 스택부(110)에 문제가 발생한 경우에도 이를 교체하는 작업 또한 수월해질 수 있는 효과도 있다.

상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 컨버터 시스템 110: IGBT 스택부
120: 리액터부 130: 냉각팬부
140: 열교환기부 150: 덕트
160: 가림판 170: 제동저항
180: 버스바 200: 공냉식 쿨러
300: 단위 모듈

Claims

상부층에 리액터부가 위치하고, 하부층에 IGBT 스택부가 위치하며, 서로 버스바로 연결되는 복수의 단위 모듈; 및
외부에서 유입되는 냉각수를 이용하여 내부 유로를 따라 순환하는 공기를 냉각시키는 열교환기부와, 상기 열교환기부에서 냉각된 공기를 상기 내부 유로를 따라 진행시키는 냉각팬부를 포함하는 공냉식 쿨러를 포함하되,
상기 공냉식 쿨러는 상기 복수의 단위 모듈의 상부에 위치하는 컨버터 시스템.
제1항에 있어서,
상기 공냉식 쿨러와 상기 복수의 단위 모듈 사이에 개재되며, 상기 복수의 단위 모듈의 상부면을 모두 커버하는 덕트를 더 포함하되,
상기 공냉식 쿨러의 냉각된 공기가 상기 덕트를 따라 상기 복수의 단위 모듈로 전달되는 컨버터 시스템.
제1항에 있어서,
상기 단위 모듈은 상기 리액터부와 상기 IGBT 스택부 사이에 비전도성 물질로 제조된 가림판이 개재되는 컨버터 시스템.