RU226340U1

RU226340U1 - Power rectifier module

Info

Publication number: RU226340U1
Application number: RU2023129891U
Authority: RU
Inventors: Михаил Алексеевич Пахомов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Зарядная Станция"
Filing date: 2023-11-17
Publication date: 2024-05-30

Abstract

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к унифицированным выпрямительным устройствам с преимущественным использованием в зарядных станциях для электромобилей на 30/40 кВт, обеспечивающих зарядку электромобилей на 400-, 800- и 1000-вольтовых архитектурах - всех, которые присутствуют на рынке на текущий момент. Технический результат - повышение эффективности отбора тепла, вырабатываемого силовыми элементами модуля выпрямительного при высокой плотности монтажа элементов. Сущность полезной модели: модуль силовой выпрямительный, обеспечивающий преобразование переменного тока в постоянный, имеющий корпус с основанием, крышкой и передней панелью, в котором смонтированы платы субмодулей силовых преобразователей, включающих множество диодов и конденсаторов, радиаторы, вентиляторы, индикатор, при этом вентиляторы, размещенные по всей передней стороне корпуса и закрывающиеся передней панелью с перфорированной поверхностью, платы субмодулей и ребра радиаторов, расположенные параллельно воздушному потоку, образуют внутри корпуса каналы для ламинарных потоков воздуха, а поверхность радиаторов обработана по восьмому классу шероховатости металлов. 2 ил. The utility model relates to the field of electrical engineering, in particular to unified rectifier devices with primary use in charging stations for electric vehicles at 30/40 kW, providing charging of electric vehicles on 400-, 800- and 1000-volt architectures - all that are currently on the market moment. The technical result is an increase in the efficiency of heat extraction generated by the power elements of the rectifier module at a high installation density of the elements. The essence of the utility model: a power rectifier module that provides conversion of alternating current into direct current, having a housing with a base, a cover and a front panel in which boards of power converter submodules are mounted, including many diodes and capacitors, radiators, fans, an indicator, and the fans are located along the entire front side of the case and covered by a front panel with a perforated surface, submodule boards and radiator fins located parallel to the air flow form channels inside the case for laminar air flows, and the surface of the radiators is processed according to the eighth class of metal roughness. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к унифицированным выпрямительным устройствам с преимущественным использованием в зарядных станциях для электромобилей на 30/40 кВт, обеспечивающих зарядку электромобилей на 400-, 800- и 1000-вольтовых архитектурах - всех, которые присутствуют на рынке на текущий момент.The utility model relates to the field of electrical engineering, in particular to unified rectifier devices with primary use in charging stations for electric vehicles at 30/40 kW, providing charging of electric vehicles on 400-, 800- and 1000-volt architectures - all that are currently on the market moment.

Основные компоненты выпрямителя тока - это диоды и конденсаторы, которые совместно обеспечивают процесс.The main components of a current rectifier are diodes and capacitors, which together provide the process.

Диоды являются ключевыми компонентами выпрямителя тока. Они работают как односторонние вентили, позволяя току проходить только в одном направлении. В контексте выпрямителя тока, диоды используются для "вырезания" одной из полуволн переменного тока, создавая тем самым прерывистый односторонний ток.Diodes are the key components of a current rectifier. They operate as one-way valves, allowing current to flow in only one direction. In the context of a current rectifier, diodes are used to "cut" one of the half-waves of the alternating current, thereby creating an intermittent one-way current.

В то время как диоды выполняют задачу "вырезания" полуволн, конденсаторы используются для "сглаживания" выходного тока.While diodes perform the task of "cutting" half-waves, capacitors are used to "smooth" the output current.

Конденсаторы, подключенные параллельно к выходу выпрямителя, накапливают заряд во время пиков тока и отдают его во время понижений, обеспечивая более стабильный и непрерывный выходной ток. Величина и емкость конденсаторов выбираются в зависимости от конкретных требований к стабильности тока в данной электронной системе.Capacitors connected in parallel to the output of the rectifier store charge during current peaks and release it during lows, providing a more stable and continuous output current. The size and capacitance of capacitors are selected depending on the specific requirements for current stability in a given electronic system.

Работа вышеуказанных основных силовых элементов сопровождается большим выделением тепла. Перегрев может приводить к сбоям в работе выпрямителя, невозможностью достижения стабильных номинальных характеристик и поломкам.The operation of the above main power elements is accompanied by a large release of heat. Overheating can lead to malfunctions of the rectifier, the inability to achieve stable nominal characteristics and breakdowns.

Из уровня техники известны решения, направленные на устранение указанной проблемы.Solutions are known from the prior art aimed at eliminating this problem.

Так, например, известно зарядное устройство с воздушным охлаждением (Патент на полезную модель КНР CN 218161848 (U), МПК B01D 46/10; B60L 53/16; G01R 31/52; H02H 3/26; H02J 7/00; H02J 7/02; H05K 7/20, оп.27.12.2022), в котором охлаждающий механизм, расположенный внутри корпуса, включает четыре вентилятора на передней и задней стенках корпуса, отверстия для отвода тепла и защитные сетки. Отверстия для отвода тепла открыты соответственно на переднем и заднем концах корпуса. Защитные сетки расположены соответственно внутри отверстий для отвода тепла. В процессе зарядки нагретый воздух отводится через теплоотводящие отверстия для предотвращения влияния чрезмерной температуры на эффективность работы. Наличие защитных сеток может предотвратить попадание внешней пыли и мусора внутрь корпуса и повлиять на нормальную работу оборудования.For example, an air-cooled charger is known (Utility model patent of the People's Republic of China CN 218161848 (U), IPC B01D 46/10; B60L 53/16; G01R 31/52; H02H 3/26; H02J 7/00; H02J 7 /02; H05K 7/20, op. 12/27/2022), in which the cooling mechanism located inside the case includes four fans on the front and rear walls of the case, holes for heat removal and protective grids. Heat dissipation holes are open at the front and rear ends of the housing, respectively. Protective grids are located respectively inside the openings for heat dissipation. During charging, heated air is exhausted through the heat sink vents to prevent excessive temperature from affecting operating efficiency. The presence of protective screens can prevent external dust and debris from entering the cabinet and affecting the normal operation of the equipment.

Такое воздушное охлаждение подходит для небольших зарядных устройств невысокой мощности с одним выпрямителем.This air cooling is suitable for small, low-power chargers with a single rectifier.

В качестве прототипа выбран модуль силовой выпрямительный (Патент на полезную модель РФ RU162001U1, МПК H02M 7/12, оп. 20.05.2016), обеспечивающий преобразование переменного тока промышленной частоты в постоянный, имеющий корпус с основанием, крышкой и боковыми стенками, в котором смонтированы сетевой фильтр, 3-фазный диодный мост, предохранители, разъемы управления модулем, входные клеммы сети питания, индикатор, радиатор и субмодули с размещением их элементов на радиаторе, таких как импульсный высокочастотный преобразователь напряжения инверторного типа, силовой трансформатор напряжения с соединительными шинами, диодные модули, снабберы, дроссели в выходном LC-фильтре, выходные шины и систему охлаждения с вентилятором, характеризующийся тем, что корпус модуля выполнен герметичным и собирающимся из основания, крышки, передней, задней и боковых стенок, выполненных с двусторонним продольным оребрением, причем концы боковых стенок в передней части выступают за пределы герметичного корпуса и на них установлена декоративная панель, основание одновременно является радиатором с горизонтальным расположением и на нем смонтированы 3-фазный диодный мост, вентилятор внутреннего охлаждения и сетевой фильтр, размещенные на продольной оси симметрии модуля, при этом вентилятор установлен на расстоянии от передней стенки 0,2-0,3 глубины корпуса, а сетевой фильтр - на минимальном расстоянии от входных клемм сети питания, расположенных на задней стенке, и соединен с ними короткими шинами, два субмодуля, в каждом из которых импульсный высокочастотный преобразователь напряжения инверторного типа построен по схеме «полный мост» с использованием переключения при нулевом напряжении на базе техники мягкого переключения, силовой трансформатор выполнен с секционной обмоткой при последовательном чередовании секций первичной и вторичной обмоток по длине изоляционной стенки сердечника с разделением секций плоскими изолирующими шайбами с боковыми прорезями, каждая секция первичной обмотки образована проводом-литцендратом, намотанным в виде плоской спирали, между витками которой размещен изоляционный шнур, причем переход провода с изоляционным шнуром к каждой последующей секции осуществлен через соответствующие прорези в шайбах, секции вторичной обмотки силового трансформатора образованы плоскими П-образными токопроводящими шинами путем их размещения между плоскими изолирующими шайбами так, что свободные концы шин выходят за пределы сердечника, совпадают по направлению с прорезями шайб, и параллельного соединения свободных концов соседних шин специальными вставками с последующей фиксацией вставок с плоскими П-образными токопроводящими шинами, соединительные шины силового трансформатора смонтированы и скоммутированы с выступающими концами соответствующих П-образных шин вторичной обмотки, имеют отгибы в нижних и боковых частях и сконфигурированы так, что на боковых отгибах осуществлен монтаж одновитковых дросселей, а на нижних отгибах смонтированы диодные модули, под которыми размещены снабберы, подключенные к диодным модулям плоскими и короткими шинами, система охлаждения содержит теплообменную поверхность, образованную основанием, стенками и крышкой корпуса, и вентиляторы внутреннего и внешнего охлаждения, причем вентиляторы внешнего охлаждения размещены на декоративной панели и подключены к разъемам на передней стенке модуля силового.A power rectifier module was selected as a prototype (RF utility model patent RU162001U1, IPC H02M 7/12, op. 05/20/2016), providing conversion of industrial frequency alternating current into direct current, having a housing with a base, cover and side walls in which the mains filter, 3-phase diode bridge, fuses, module control connectors, power supply input terminals, indicator, radiator and submodules with their elements placed on the radiator, such as a pulsed high-frequency inverter-type voltage converter, power voltage transformer with connecting buses, diode modules , snubbers, chokes in the output LC filter, output buses and a cooling system with a fan, characterized in that the module housing is sealed and assembled from the base, cover, front, rear and side walls, made with double-sided longitudinal fins, with the ends of the side walls in the front part protrude beyond the sealed housing and a decorative panel is installed on them, the base is also a radiator with a horizontal arrangement and a 3-phase diode bridge, an internal cooling fan and a power filter are mounted on it, located on the longitudinal axis of symmetry of the module, while the fan is installed at a distance from the front wall of 0.2-0.3 of the depth of the case, and the mains filter is at a minimum distance from the input terminals of the power supply located on the rear wall, and is connected to them by short buses, two submodules, each of which contains a pulsed high-frequency converter voltage inverter type is built according to the “full bridge” scheme using switching at zero voltage based on the soft switching technique, the power transformer is made with a sectional winding with sequential alternation of sections of the primary and secondary windings along the length of the insulating wall of the core with the sections being separated by flat insulating washers with side slots , each section of the primary winding is formed by a Litz wire wound in the form of a flat spiral, between the turns of which an insulating cord is placed, and the transition of the wire with the insulating cord to each subsequent section is made through the corresponding slots in the washers, the sections of the secondary winding of the power transformer are formed by flat U-shaped conductive busbars by placing them between flat insulating washers so that the free ends of the busbars extend beyond the core, coincide in the direction with the slots of the washers, and parallel connection of the free ends of adjacent busbars with special inserts, followed by fixing the inserts with flat U-shaped conductive busbars, connecting busbars power transformer are mounted and connected with the protruding ends of the corresponding U-shaped busbars of the secondary winding, have bends in the lower and side parts and are configured so that single-turn chokes are mounted on the side bends, and diode modules are mounted on the lower bends, under which snubbers connected to the diode modules with flat and short buses, the cooling system contains a heat exchange surface formed by the base, walls and cover of the housing, and internal and external cooling fans, with the external cooling fans located on a decorative panel and connected to connectors on the front wall of the power module.

При работе известного модуля силового вентилятор внутреннего охлаждения осуществляет обдув элементов модуля. Воздух после вентилятора частично проходит вправо и влево, забирая тепло с трансформаторов, соединительных шин, диодных модулей, дросселей, снабберов и сетевого фильтра, частично проходит к задней стенке, и при этом отдает часть тепла на верхнюю крышку, затем проходит по задней стенке вправо и влево, забирает там тепло с платы LC-фильтра и с выходных шин, при этом, проходя по задней стенке, отдает часть тепла через нее наружу, затем возвращается вдоль боковых стенок, снимая тепло с дросселей и отдавая его на боковые стенки и верхнюю крышку, далее возвращается по передней стенке справа и слева к центру, забирая тепло с высокочастотных преобразователей, 3-фазного выпрямительного моста и держателей предохранителей, отдавая при этом его на переднюю стенку и возвращаясь к вентилятору. Такая организация воздушного потока достигается при размещении вентилятора внутреннего охлаждения на продольной оси симметрии модуля силового на расстоянии от передней стенки, равном 0,2÷0,3 глубины модуля. В совокупности с применением основания - радиатора и оребрением боковых стенок это существенно улучшает условия теплопередачи от нагревающихся при работе элементов к стенкам корпуса. Вентиляторы наружного охлаждения, смонтированные на декоративной панели, осуществляют обдув корпуса снаружи. Поток воздуха обдувает переднюю стенку, направляется вдоль ребристых поверхностей основания - радиатора, боковых стенок и крышки, обдувает заднюю стенку. Это способствует повышению эффективности теплосъема с модуля.When the known module is operating, the internal cooling power fan blows the module elements. The air after the fan partially passes to the right and left, taking heat from transformers, connecting busbars, diode modules, chokes, snubbers and power filter, partially passes to the rear wall, and at the same time gives off some of the heat to the top cover, then passes along the rear wall to the right and to the left, takes heat there from the LC filter board and from the output buses, while passing along the rear wall, it gives off some of the heat through it to the outside, then returns along the side walls, removing heat from the chokes and giving it to the side walls and the top cover, then it returns along the front wall on the right and left to the center, taking heat from the high-frequency converters, 3-phase rectifier bridge and fuse holders, while giving it to the front wall and returning to the fan. This organization of air flow is achieved by placing an internal cooling fan on the longitudinal axis of symmetry of the power module at a distance from the front wall equal to 0.2÷0.3 of the module depth. In combination with the use of a base - a radiator and fins on the side walls, this significantly improves the conditions for heat transfer from elements that heat up during operation to the walls of the housing. External cooling fans mounted on a decorative panel blow air through the housing from the outside. The air flow blows on the front wall, is directed along the ribbed surfaces of the base - the radiator, side walls and lid, and blows on the rear wall. This helps to increase the efficiency of heat removal from the module.

Потоки воздуха, создаваемые внутренним вентилятором в корпусе модуля силового характеризуются высокой турбулентностью, что в целом снижает эффективность отвода тепла, а использование стенок корпуса в качестве радиатора и наличие внешнего обдува увеличивают габариты модуля, что снижает эффективные возможной унификации устройства.The air flows created by the internal fan in the power module housing are characterized by high turbulence, which generally reduces the efficiency of heat removal, and the use of the housing walls as a radiator and the presence of external airflow increase the dimensions of the module, which reduces the effective possible unification of the device.

Задачей полезной модели являлось обеспечение размещения в корпусе нескольких силовых преобразователей, обеспечивающих зарядку электромобилей на 400-, 800- и 1000-вольтовых архитектурах. Технический результат - повышение эффективности отбора тепла, вырабатываемого силовыми элементами модуля выпрямительного при высокой плотности монтажа элементов.The task of the utility model was to accommodate several power converters in the housing, providing charging for electric vehicles on 400-, 800- and 1000-volt architectures. The technical result is an increase in the efficiency of heat extraction generated by the power elements of the rectifier module at a high installation density of the elements.

Указанная задача решается модулем силовым выпрямительным, обеспечивающий преобразование переменного тока в постоянный, имеющим корпус с основанием и крышкой (боковые стенки образованы загибами основания и крышки), в котором смонтированы платы субмодулей силовых преобразователей, включающих множество диодов и конденсаторов, радиаторы, вентиляторы, индикатор, в котором, согласно предложению, радиаторы, платы субмодулей и вентиляторы образуют внутри корпуса каналы для ламинарных потоков воздуха, а поверхность радиаторов обработана не менее чем по восьмому классу шероховатости металлов (классы шероховатости см., например, https://e-metall.ru/blog/tablicy-sherohovatosti-metallov/?ysclid=lp266m1m93897411652).This problem is solved by a power rectifier module that ensures the conversion of alternating current into direct current, having a housing with a base and a cover (the side walls are formed by the bends of the base and cover), in which boards of power converter submodules are mounted, including many diodes and capacitors, radiators, fans, an indicator, in which, according to the proposal, radiators, submodule boards and fans form channels inside the case for laminar air flows, and the surface of the radiators is processed to at least the eighth class of metal roughness (for roughness classes, see, for example, https://e-metall.ru /blog/tablicy-sherohovatosti-metallov/?ysclid=lp266m1m93897411652).

Ламинарный поток воздуха - это тип движения воздуха, при котором частицы воздуха движутся параллельно друг другу и в одном направлении, без перемешивания и турбулентности. Этот тип потока характеризуется высокой организацией и прямолинейностью движения частиц воздуха (см., например, https://ivablog.ru/cto-takoe-ventilyaciya-s-laminarnym-potokom/?ysclid=lowmu1xjcn664346382).Laminar air flow is a type of air movement in which air particles move parallel to each other and in the same direction, without mixing or turbulence. This type of flow is characterized by high organization and straightness of movement of air particles (see, for example, https://ivablog.ru/cto-takoe-ventilyaciya-s-laminarnym-potokom/?ysclid=lowmu1xjcn664346382).

Ламинарный поток воздуха используется для точечного охлаждения высокоперегретых элементов. Он позволяет обеспечить равномерное распределение воздуха по корпусу, минимизировать перемешивание и загрязнение, и создавать оптимальные условия для работы устройства.Laminar air flow is used for spot cooling of highly overheated elements. It allows you to ensure uniform distribution of air throughout the body, minimize mixing and contamination, and create optimal conditions for the operation of the device.

Качество теплоотвода радиатора во многом зависит от его поверхности. Чем больше поверхность, тем больше тепла может быть отведено. При этом, гладкость поверхности также играет важную роль в этом процессе.The quality of heat dissipation of a radiator largely depends on its surface. The larger the surface, the more heat can be dissipated. At the same time, surface smoothness also plays an important role in this process.

Теплообмен между радиатором и окружающей средой происходит в основном за счет конвекции - процесса, при котором тепло передается от горячего тела к холодному через движение частиц среды (в данном случае воздуха).Heat exchange between the radiator and the environment occurs mainly due to convection - a process in which heat is transferred from a hot body to a cold one through the movement of particles of the medium (in this case, air).

На гладкой поверхности радиатора поток воздуха остается ламинарным, то есть частицы воздуха движутся практически параллельно друг другу, не создавая вихрей. Это позволяет большему количеству частиц воздуха приходить в контакт с поверхностью радиатора, увеличивая теплоотдачу.On a smooth radiator surface, the air flow remains laminar, that is, air particles move almost parallel to each other without creating vortices. This allows more air particles to come into contact with the surface of the radiator, increasing heat transfer.

На неровной поверхности радиатора поток воздуха становится турбулентным, то есть образуются вихри и волны, которые отталкивают частицы воздуха от поверхности радиатора, уменьшая теплоотдачу.On an uneven surface of the radiator, the air flow becomes turbulent, that is, vortices and waves are formed that push air particles away from the surface of the radiator, reducing heat transfer.

Полезная модель поясняется чертежами.The utility model is illustrated by drawings.

На фиг. 1 показан сборочный чертеж (взрыв-схема) модуля силового выпрямительного.In fig. Figure 1 shows an assembly drawing (explosion diagram) of the power rectifier module.

На фиг. 2 показан вид сверху на верхнюю плату одного субмодуля силового преобразователя.In fig. Figure 2 shows a top view of the top board of one power converter submodule.

Модуль силовой выпрямительный имеет корпус с основанием 1, крышкой 2 и переднюю панель 3. В котором смонтированы платы 4, 5 субмодулей силовых преобразователей (показаны не все), плата 6 индикации и ввода с индикатором 7, радиаторы 8, вентиляторы 9. Корпус 1 снабжен ручками 10 для удобства удержания, установки и снятия.The power rectifier module has a housing with a base 1, a cover 2 and a front panel 3. In which boards 4, 5 power converter submodules (not all are shown), an indication and input board 6 with an indicator 7, radiators 8, fans 9 are mounted. Housing 1 is equipped 10 handles for easy holding, installation and removal.

В качестве основных частей субмодулей силовых преобразователей могут выступать силовые модули, аналогичные преобразователям UR100030-SW (см., например, https://www.symmetron.ru/catalog/istochniki-pitaniya/dc-dc-preobrazovateli/ur100030-sw-uugreenpower/?ysclid=lowmopsg2a900800616) и UR75020-AD (см., например, https://energobelarus.by/market/istochniki_pitaniya/blok_pitaniya_peremennogo_i_postoyannogo_toka_zaryadnyy_moshchnostyu_15_kvt_dlya_elektromobiley_uugr/?ysclid=lowlk69350128037116).The main parts of power converter submodules can be power modules similar to UR100030-SW converters (see, for example, https://www.symmetron.ru/catalog/istochniki-pitaniya/dc-dc-preobrazovateli/ur100030-sw-uugreenpower /?ysclid=lowmopsg2a900800616) and UR75020-AD (see, for example, https://energobelarus.by/market/istochniki_pitaniya/blok_pitaniya_peremennogo_i_postoyannogo_toka_zaryadnyy_moshchnostyu_15_kvt_dlya_elektromobiley_uugr/?ysclid= lowlk69350128037116).

Вентиляторы 9 размещены по всей передней стороне корпуса 1 и закрываются панелью 3 с перфорированной поверхностью. Размещение вентиляторов 9 определяет основное направление движения воздуха (показано на фиг. 2 черными стрелками). При этом платы 4, 5 размещены горизонтально. Другие платы, например плата 6, могут располагаться вертикально, но обязательно параллельно воздушному потоку. Ребра радиаторов 8 также расположены параллельно воздушному потоку. Совместно элементы 1-6, 8, 9 образуют внутри корпуса каналы для ламинарных потоков воздуха (способствуют максимальному сохранению ламинарных потоков), что и являлось основной целью полезной модели.Fans 9 are located along the entire front side of the housing 1 and are covered by a panel 3 with a perforated surface. The placement of fans 9 determines the main direction of air movement (shown in Fig. 2 by black arrows). In this case, boards 4, 5 are placed horizontally. Other boards, for example board 6, can be positioned vertically, but must be parallel to the air flow. The fins of the radiators 8 are also located parallel to the air flow. Together, elements 1-6, 8, 9 form channels for laminar air flows inside the housing (promote maximum preservation of laminar flows), which was the main purpose of the utility model.

Claims

A power rectifier module that provides conversion of alternating current into direct current, having a housing with a base, a cover and a front panel in which boards of power converter submodules are mounted, including many diodes and capacitors, radiators, fans, an indicator, characterized in that the fans are located throughout on the front side of the case and covered by a front panel with a perforated surface, submodule boards and radiator fins located parallel to the air flow form channels inside the case for laminar air flows, and the surface of the radiators is processed according to the eighth class of metal roughness.