RU2738257C1

RU2738257C1 - Система и способ для частотно-регулируемого привода среднего напряжения без образования конденсата

Info

Publication number: RU2738257C1
Application number: RU2020115444A
Authority: RU
Inventors: Джейсон УАГГЕЛ; Мэттью МАРУЛЛО; Цзяхой ЧЖАН; Марк Ф. АИЕЛЛО
Original assignee: Сименс Акциенгезелльшафт
Priority date: 2017-10-09
Filing date: 2017-10-09
Publication date: 2020-12-11
Also published as: US20200244210A1; CA3077797A1; CA3077797C; AU2017435847A1; US11558984B2; WO2019074471A1; AU2017435847B2

Abstract

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат заключается в предотвращении повреждений в электрической цепи, вызываемых конденсацией. Система (300) управления температурой для частотно-регулируемого привода (10, 100) включает в себя герметичный корпус (310), силовой электронный компонент (330) и/или силовой магнитный компонент (320), расположенный внутри герметичного корпуса (310). Контроллер (400), выполненный с возможностью управления температурой силового электронного компонента (330) и/или силового магнитного компонента (320) относительно температуры (Tair) внутреннего воздуха внутри герметичного корпуса (310). Управление температурой перед подачей электрической энергии и работой силового электронного компонента (320) и/или силового магнитного компонента (320) для предотвращения вызываемого конденсацией электрического отказа силового электронного компонента (330) и/или силового магнитного компонента (320) с использованием системы (340) охлаждения и/или системы (350) нагрева. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Уровень техники

1. Область техники

[0001] Аспекты настоящего изобретения в целом относятся к системе и способу управления температурой для частотно-регулируемого привода среднего напряжения без конденсации. Везде в описании термины «привод», «система привода» и «источник питания» могут использоваться взаимозаменяемо.

2. Описание предшествующего уровня техники

[0002] Частотно-регулируемые приводы среднего напряжения (СН), такие как, например, многоуровневые преобразователи мощности, используются в области применения приводов переменного тока (AC) среднего напряжения, гибких систем (FACTS) передачи переменного тока и систем передачи постоянного тока (HVDC) высокого напряжения, поскольку одиночные силовые полупроводниковые приборы не могут справиться с высоким напряжением. Многоуровневые преобразователи мощности обычно включают в себя множество силовых ячеек для каждой фазы, причем каждая силовая ячейка включает в себя инверторную схему, имеющую полупроводниковые переключатели, которые способны изменять выходное напряжение отдельных элементов.

[0003] Одним из примеров многоуровневого преобразователя мощности является система каскадных Н-мостовых преобразователей, имеющая множество Н-мостовых ячеек, как описано, например, в патенте США № 5625545 на имя Hammond, содержание которого включено в настоящий документ в качестве ссылки в полном объеме. Другим примером многоуровневого преобразователя мощности является модульная многоуровневая система преобразователей, имеющая множество подсистем M2C или M2LC.

[0004] Многие применения частотно-регулируемых приводов требуют, чтобы компоненты или система компонентов были укомплектованы для эксплуатации вне помещений, что, в свою очередь, требует герметичного и изолированного контейнера или системы шкафов. Тогда уровень влажности или точки росы внутри контейнера или системы шкафов становится основной проблемой, поскольку наружные температуры воздуха во многих случаях могут быть очень низкими, что может привести к возникновению повреждений в электрической цепи, вызываемых конденсацией. Поддерживать низкую температуру точки росы в шкафу ниже, чем имеющееся охлаждение наружным воздухом, нецелесообразно для оборудования, предусматривающего обязательные длительные периоды работы в отдаленных областях. Таким образом, существует потребность в создании улучшенного частотно-регулируемого привода для эксплуатации вне помещений.

СУЩНОСТЬ

[0005] В кратком изложении, аспекты настоящего изобретения относятся к системе и способу управления температурой для частотно-регулируемого привода среднего напряжения без конденсации.

[0006] В первом аспекте настоящее изобретение относится к системе управления температурой для частотно-регулируемого привода, содержащей герметичный корпус, силовой магнитный компонент и/или силовой электронный компонент, расположенный внутри герметичного корпуса, и контроллер, выполненный с возможностью управления температурой силового магнитного компонента и/или силового электронного компонента относительно температуры внутреннего воздуха внутри герметичного корпуса перед подачей электрической энергии и работой силового магнитного компонента и/или силового электронного компонента для предотвращения вызываемого конденсацией электрического отказа силового магнитного компонента и/или силового электронного компонента, в случае если температура внутреннего воздуха равна или превышает температуру точки росы внутри герметичного корпуса.

[0007] Во втором аспекте настоящее изобретение относится к частотно-регулируемому приводу, содержащему систему управления температурой.

[0008] В третьем аспекте настоящее изобретение относится к способу управления температурой внутри герметичного корпуса, содержащего один или несколько компонентов частотно-регулируемого привода, включающий в себя регулирование температуры внутреннего воздуха внутри герметичного корпуса таким образом, чтобы температура внутреннего воздуха была равна или превышала температуру точки росы; определение температур одного или нескольких компонентов, расположенных внутри герметичного корпуса; управление температурами одного или нескольких компонентов относительно температуры внутреннего воздуха перед подачей электрической энергии и работой одного или нескольких компонентов для предотвращения вызываемого конденсацией электрического отказа одного или нескольких компонентов; и подача подводимой электроэнергии на один или несколько компонентов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0009] На ФИГ. 1 показана схема известной базовой конфигурации системы каскадных Н-мостовых преобразователей в соответствии с примерным вариантом осуществления, описываемом в настоящем документе.

[0010] На ФИГ. 2 показана схема другой известной базовой конфигурации системы каскадных Н-мостовых преобразователей в соответствии с примерным вариантом осуществления, описываемом в настоящем документе.

[0011] На ФИГ. 3 показана схема базовой конфигурации модульной многоуровневой системы преобразователей в соответствии с примерным вариантом осуществления, описываемом в настоящем документе.

[0012] На ФИГ. 4 показана схема системы управления температурой для частотно-регулируемого привода в соответствии с примерным вариантом осуществления, описываемом в настоящем документе.

[0013] На ФИГ. 5 показана блок-схема последовательности операций способа управления температурой внутри корпуса, содержащего частотно-регулируемый привод в соответствии с примерным вариантом осуществления, описываемом в настоящем документе.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0014] Чтобы облегчить понимание вариантов осуществления, принципов и признаков настоящего изобретения, ниже они поясняются со ссылкой на реализацию в иллюстративных вариантах осуществления. В частности, они описываются в контексте системы управления температурой для частотно-регулируемого привода, в частности частотно-регулируемых приводов среднего напряжения (СН), в том числе многоячеечных источников питания таких, как модульные многоуровневые системы преобразователей и системы каскадных Н-мостовых преобразователей. Однако варианты осуществления настоящего изобретения не ограничиваются использованием в описанных устройствах или способах.

[0015] Используемый в настоящем документе термин «среднее напряжение» является напряжением большим, чем примерно 690 В, и меньшим, чем примерно 69 кВ, а «низкое напряжение» - это напряжение менее 690 В. Специалисты в данной области поймут, что другие уровни напряжения могут определяться как «среднее напряжение» и «низкое напряжение». Например, в некоторых вариантах осуществления «среднее напряжение» может быть напряжением между примерно от 3 кВ и примерно 69 кВ, а «низкое напряжение» может быть напряжением меньшим, чем примерно 3 кВ.

[0016] Компоненты и материалы, описываемые ниже в настоящем документе, как составляющие различные варианты осуществления, предназначены для иллюстрации, а не ограничения. Предполагается, что многие подходящие компоненты и материалы, которые будут выполнять ту же или аналогичную функцию, что и материалы, описанные в настоящем документе, входят в объем вариантов осуществления настоящего изобретения.

[0017] На каждой из ФИГ. 1 и ФИГ. 2 представлена схема многоячеечного источника питания 10, в частности, система каскадных Н-мостовых преобразователей, которая получает трехфазное питание от источника переменного тока и подает питание на нагрузку 12, например, трехфазный двигатель переменного тока.

[0018] Как показано на ФИГ. 1, многоячеечный источник 10 питания включает в себя трансформатор 14, силовую схему 16 и контроллер 18. Трансформатор 14 включает в себя первичную обмотку, которая возбуждает девять вторичных обмоток, и силовая схема 16 включает в себя несколько силовых ячеек 26 на печатной плате, в данном документе просто называемых силовыми ячейками 26, которые функционально связаны со вторичными обмотками, соответственно, трансформатора 14. Поскольку источник 10 питания содержит девять вторичных обмоток, и силовая ячейка 26 функционально связан с каждой вторичной обмоткой, источник 10 питания содержит девять силовых ячеек 26. Конечно, источник 10 питания может содержать больше или меньше девяти силовых ячеек 26 и/или больше или меньше девяти вторичных обмоток, в зависимости от типа источника 10 питания и/или типа нагрузки 12, соединенной с источником 10 питания.

[0019] Силовые ячейки 26 могут быть рассчитаны на более низкие напряжения и выполнены с возможностью подачи выходного среднего напряжения на нагрузку 12. В частности, каждая фаза A, B, C выходного напряжения силовой схемы 16 запитывается группой последовательно соединенных силовых ячеек 26. Выходы силовых ячеек соединены последовательно в первой фазной группе 30, во второй фазной группе 32 и в третьей фазной группе 34. Каждое фазное выходное напряжение является суммой выходных напряжений силовых ячеек 26 в соответствующих фазных группах 30, 32 и 34. Например, первая фазная группа 30 содержит силовые ячейки 26, обозначенные A1, A2 и A3, в которых фазное выходное напряжение фазы A выходного напряжения является суммой выходных напряжений силовых ячеек A1, A2 и A3. То же самое относится к фазе B выходного напряжения и силовым ячейкам B1, B2, B3 и фазе C выходного напряжения и силовым ячейкам C1, C2, C3. При этом силовая схема 16 подает выходное среднее напряжение на нагрузку 12, используя силовые ячейки 26 с более низким номинальным напряжением, которые включают в себя компоненты, рассчитанные на стандарты более низкого напряжения. Каждая силовая ячейка 26 соединена, например, через оптоволоконную линию связи, с контроллером 18, который может использовать обратную связь по току и напряжению для управления работой силовых ячеек 26.

[0020] Как показано на ФИГ. 2, многоячеечный источник 10 питания включает в себя трехфазный источник 20 питания переменного тока, силовую схему 16 и контроллер 18. Трехфазный источник 20 питания переменного тока включает в себя два диодных моста, каждый из которых соединен на стороне переменного напряжения со вторичными обмотками трансформатора 24 силового преобразователя и каждый из которых электрически последовательно соединен на стороне постоянного напряжения. Для параллельного соединения этих фазных групп предусмотрены положительная и отрицательная шина постоянного тока. Силовая схема 16 включает в себя силовые ячейки 28, которые подключаются к шине постоянного напряжения, созданной источником 20 питания. Силовые ячейки 28, например, имеют более низкое номинальное напряжение выполнены с возможностью подачи выходного среднего напряжения на нагрузку 12. Хотя нагрузка 12 может быть показана как находящаяся внутри многоячеечного источника 10 питания, нагрузка 12 не является частью многоячеечного источника 10 питания. Наоборот, нагрузка 12 отделена от многоячеечного источника 10 питания и подключена к нему, как более четко показано на ФИГ. 1.

[0021] Каждая фаза A, B, C выходного напряжения силовой схемы 16 запитывается группой последовательно соединенных силовых ячеек 28, также обозначенных A1-A4, B1-B4 и C1-C4 по отношению к фазам A, B, C выходного напряжения. Силовые ячейки 28 соединены последовательно в первой фазной группе 30, во второй фазной группе 32 и в третьей фазной группе 34. Каждое фазное выходное напряжение является суммой выходных напряжений силовых ячеек 28 в фазной группе 30, 32 и 34, как описано ранее применительно к ФИГ. 1. Силовая схема 16 подает выходное среднее напряжение на нагрузку 12, используя силовые ячейки 28 с более низким номинальным напряжением, которые включают в себя компоненты, рассчитанные на стандарты более низкого напряжения. Каждая силовая ячейка 28 соединена, например, через оптоволоконную линию(и) связи, с контроллером 18, который может использовать обратную связь по току и напряжению для управления работой силовых ячеек 28.

[0022] Следует отметить, что на ФИГ. 1 и ФИГ. 2 число силовых ячеек 26, 28 в каждой фазной группе 30, 32, 34 может составлять от 2 до 12, чтобы подавать различные выходные средние напряжения, требуемые нагрузкой 12. Как отмечалось ранее, в варианте осуществления, показанном на ФИГ. 1, количество вторичных обмоток трансформатора 14 соответствует количеству силовых ячеек 26. В варианте осуществления, показанном на ФИГ. 2, число диодных мостов и вторичных обмоток трансформатора может варьироваться от 1 до 6, чтобы обеспечить подавление гармоник на первичной обмотке трансформатора 24. Специалистам в данной области техники будет понятно, что в зависимости от применения можно использовать другие количества ячеек и количества диодных мостов, и что конфигурации, показанные и описанные в настоящем документе, предназначены по своей сути для примера.

[0023] На ФИГ. 3 показана схема известной базовой конфигурации модульной многоуровневой системы 100 преобразователей в соответствии с примерным вариантом осуществления, описываемом в настоящем документе. В одном из примеров система 100 преобразователей содержит основной входной модуль 130 и выходной модуль 160, в которых используется технология M2C или M2LC. Основной входной модуль 130 генерирует напряжение постоянного тока и предоставляет энергию для входного модуля 160, соединенного с основным входным модулем 130. В одном из примеров основной входной модуль 130 может содержать последовательно соединенные шести-импульсные выпрямители 140. Выходной модуль 160 предоставляет питание для подключенного двигателя 190, которым может быть, например, двигатель переменного тока высокого напряжения. На выходной модуль 160 подается питание для двигателя 190 через основной входной модуль 130, который представляет звено постоянного тока. Выходной модуль 160 содержит блок 170 инвертора с технологией M2C или M2LC, содержащий несколько полупроводниковых приборов, в частности биполярных транзисторов (IGBTs) с изолированным затвором. Выходной модуль 160, включающий в себя подсистемы M2C или M2LC, в данном документе также называемый силовыми ячейками, подает на двигатель 190 почти синусоидальные напряжения. В одном из примеров инвертор 170 может содержать три фазы. Каждая фаза состоит из двух так называемых ветвей M2C или M2LC. Каждая из шести ветвей инвертора 170 состоит из идентичных подсистем (силовых ячеек), соединенных последовательно.

[0024] На ФИГ. 3 также показан автоматический выключатель 110 и трансформатор 120 в качестве примера источника питания для системы 100 преобразователей. Кроме того, система 100 преобразователей может содержать один или несколько измерительных блоков 150, 180, используемых для измерения напряжений и токов. Например, измерительный блок 150 измеряет напряжения и токи основного линейного модуля 130, а измерительный блок 180 измеряет напряжения и токи на стороне двигателя. Напряжения можно измерять с помощью комбинированных модулей AVT (передача фактического значения), токи можно измерять с помощью электронных трансформаторов тока и комбинированных модулей AVT. Комбинированные модули AVT преобразуют аналоговые сигналы в цифровые сигналы и передают сигналы на блок управления, например, через оптоволоконные кабели. Следует отметить, что система 100 преобразователей, показанная на ФИГ. 1, может содержать больше компонентов, таких как, например, модуль(и) управления, модуль(и) охлаждения, модуль(и) торможения и/или модуль(и) шунтирования. Модуль(и) управления обычно используются для управления с обратной связью и без обратной связи приводом, а также для оперативного управления и диагностики привода.

[0025] На ФИГ. 4 показана схема системы 300 управления температурой для частотно-регулируемого привода в соответствии с примерным вариантом осуществления, описываемом в настоящем документе. Частотно-регулируемый привод может быть, например, источником питания, как описано со ссылкой на ФИГ. 1, ФИГ. 2 или ФИГ. 3.

[0026] Как отмечалось ранее, во многих применениях частотно-регулируемых приводов требуется, чтобы компоненты или система компонентов были скомпонованы для эксплуатации вне помещений, что, в свою очередь, требует герметичного и изолированного контейнера или системы шкафов. Тогда уровень влажности или точки росы внутри контейнера или системы шкафов становится основной проблемой, поскольку наружные температуры воздуха во многих случаях могут быть очень низкими, что может привести к возникновению повреждений в электрической цепи, вызываемых конденсацией.

[0027] Описаны система и способ проверки того, что рабочая температура находящихся под напряжением компонентов в источнике питания выше точки росы в шкафу до подачи электрической энергии на эти компоненты, и управления этой температурой. Поскольку температура внутреннего воздуха в шкафу регулируется так, чтобы она была равна или превышала температуру его точки росы, можно использовать систему, содержащую, например, датчик(и) температуры, систему(ы) нагрева и регулирования подачи воздуха для достижения требуемого условия(ий) эксплуатации до подачи электрической энергии и в дальнейшем поддерживать работу без конденсации.

[0028] Система 300 управления температурой для частотно-регулируемого привода содержит герметичный и изолированный корпус 310, в котором размещены несколько компонентов частотно-регулируемого привода. Поскольку частотно-регулируемый привод специально предусмотрен для работы вне помещения, герметичный и изолированный корпус 310 необходим. Например, наружные температуры могут составлять до -45°C. Таким образом, герметичный и изолированный корпус 310 выполнен в виде полностью герметичного и изолированного корпуса, имеющего класс NEMA 4. Национальная ассоциация производителей электрооборудования (NEMA) использует систему стандартных характеристик, которая определяет типы окружающих сред, в которых можно использовать электрический корпус, и часто обозначает указанную способность корпуса выдерживать определенные условия окружающей среды. Стандарт NEMA определяет продукт в отношении его характеристик и возможностей. Корпус класса NEMA 4 конструирован для внутреннего или наружного использования так, чтобы обеспечить степень защиты персонала от доступа к опасным частям; обеспечить степень защиты оборудования внутри корпуса от попадания твердых посторонних предметов (падающей грязи и пыли, наносимой ветром); обеспечить степень защиты от вредного воздействия на оборудование от попадания воды (дождя, мокрого снега, снега, водяных брызг и воды, направляемой шлангом); и что он не повреждается при внешнем образовании льда на корпусе.

[0029] По меньшей мере, один силовой электронный компонент 330 расположен внутри герметичного и изолированного корпуса 310. По меньшей мере, один силовой электронный компонент 330 может содержать несколько силовых ячеек, выполненных как подсистемы M2C или подсистемы M2CL, или каскадные Н-мостовые подсистемы (смотри ФИГ. 1-3). В другом примере, по меньшей мере, один силовой электронный компонент 330 может содержать многопульсовый выпрямитель.

[0030] Система 300 управления температурой содержит контроллер 400, выполненный с возможностью управления температурой, по меньшей мере, одного силового электронного компонента 330 относительно температуры Tair внутреннего воздуха внутри герметичного корпуса 310 перед подачей электрической энергии и работой, по меньшей мере, одного силового электронного компонента 330 так, что предотвращается вызываемый конденсацией электрический сбой, по меньшей мере, одного силового электронного компонента 330. Температурой, по меньшей мере, одного силового электронного компонента 330 и/или температурой Tair внутреннего воздуха управляют через систему 340 охлаждения и/или систему 350 нагрева.

[0031] Система 340 охлаждения содержит теплообменник 342. Теплообменник 342 соединен с корпусом 310 и расположен так, что компоненты, например, по меньшей мере, один силовой электронный компонент 330 внутри корпуса 310 может охлаждаться и отводить тепло наружу от корпуса 310.

[0032] В одном из вариантов осуществления, теплообменник 342 представляет собой теплообменник типа «воздух-воздух», то есть как охлаждающая текучая среда, так и охлаждаемая текучая среда являются воздухом. Например, теплообменник 342 может быть выполнен в виде перекрестноточного теплообменника. В другом примере теплообменник 342 может быть выполнен в виде противоточного теплообменника. Следует отметить, что принципы перекрестноточных и противоточных теплообменников не будут подробно описаны здесь, поскольку специалист в данной области техники знаком с этими принципами.

[0033] В другом варианте осуществления теплообменник 342 выполнен в виде модульного теплообменника, так что охлаждающую способность теплообменника 342 можно регулировать путем изъятия или добавления модулей. На ФИГ. 4 представлен теплообменник 342, содержащий два модуля 344, 346. Конечно, теплообменник 342 может содержать только один модуль 344 или больше, чем два модуля 344, 346.

[0034] Система 340 охлаждения дополнительно содержит один или несколько вентиляторов 348, 349. Вентилятор 348 расположен внутри корпуса 310, тогда как вентилятор 349 расположен снаружи корпуса 310. Вентилятор 348 используется для направления воздуха внутри корпуса 310 Вентилятор 349 используется для отвода тепла от корпуса 310.

[0035] Чтобы определить, когда, по меньшей мере, один силовой электронный компонент 330 должен быть охлажден, по меньшей мере, один силовой электронный компонент 330 содержит датчик 410 температуры для измерения температуры, по меньшей мере, одного силового электронного компонента 330, который, в свою очередь, соединен с контроллером 400. На основании измеряемой температуры, предоставляемой датчиком 410, контроллер 400 может отправлять сигнал в систему 340 охлаждения, чтобы начать работу и, например, охладить воздух внутри камеры 310.

[0036] Корпус 310 может дополнительно содержать и вмещать, по меньшей мере, один силовой магнитный компонент 320, который может быть, например, разделительным трансформатором, входным индуктором, выходным индуктором или их комбинацией. В одном из примеров, по меньшей мере, один силовой электронный компонент 330 и силовой магнитный компонент 320 образуют частотно-регулируемый привод. Возможны случаи, когда корпус 310 может содержать только, по меньшей мере, один силовой электронный компонент 330, а силовой магнитный компонент 320 может быть расположен на расстоянии.

[0037] Контроллер 400 дополнительно выполнен с возможностью управления температурой, по меньшей мере, одного силового магнитного компонента 320 относительно температуры Tair внутреннего воздуха внутри герметичного корпуса 310 перед подачей энергии и работой, по меньшей мере, одного силового магнитного компонента 320 для предотвращения вызываемого конденсацией электрического отказа, по меньшей мере, одного силового магнитного компонента 320.

[0038] Система 300 управления температурой может дополнительно содержать систему 350 нагрева. В одном из вариантов система 350 нагрева содержит нагревательные элементы, расположенные в заданных местах непосредственно на, по меньшей мере, одном силовом магнитном компоненте 320 и/или силовом электронном компоненте 330, например, непосредственно на магнитном сердечнике разделительного трансформатора. В другом варианте осуществления система 350 нагрева включает в себя индукционный нагрев через повышение частоты возбуждения при понижении напряжении для управления температурой, по меньшей мере, одного силового магнитного компонента 320 и/или силового электронного компонента 330. Кроме того, по меньшей мере, один силовой магнитный компонент 320 содержит датчик 420 температуры, например, применяемый непосредственно к магнитному сердечнику для измерения температуры, по меньшей мере, одного силового магнитного компонента 320.

[0039] Система 300 дополнительно содержит электрический вход 440 и электрический выход 450. Электрический вход 440 может быть выполнен в виде трехпроводного входа, а электрический выход 450 - в виде трехпроводного выхода, чтобы уменьшить количество соединительных проводов. Трехпроводная конфигурация сокращает сложность и снижает стоимость подачи от нескольких источников питания в систему частотно-регулируемого привода. Трехпроводная входная конфигурация также может обеспечивать защиту в виде плавкого предохранителя для силового магнитного компонента 320 и защиту в виде разделительной сети для управления питанием системы привода.

[0040] Итак, предлагаются система 300 и способ 500 для доведения полностью герметичного корпуса 310 класса NEMA 4, содержащего систему частотно-регулируемого электропривода среднего напряжения, включающую в себя силовой электронный компонент 330 и силовой магнитный компонент 320, от чрезвычайно низкой наружной температуры примерно до -45°C до приемлемой температуры Tair внутри, чтобы обеспечить подачу электропитания среднего напряжения на силовой магнитный компонент 320, и дальнейшего регулирования и поддержания температуры Tair внутри в приемлемом диапазоне для силового электронного компонента 330 и силового магнитного компонента 320, содержащихся внутри корпуса 310, при работе на полной выходной мощности.

[0041] Система 340 охлаждения, содержащая встроенный теплообменник 342, используется для изоляции внутренних компонентов 320, 330 корпуса 310 от наружного воздуха, одновременно обеспечивая необходимое охлаждение для компонентов 320, 330 в условиях полной нагрузки. Система 300 дополнительно предоставляет систему 350 нагрева для нагревания силового магнитного компонента 320 и/или силового электронного компонента 330 до приемлемой температуры подачи электропитания с использованием нагревательных элементов, например, расположенных в заданных местах на силовом магнитном компоненте 320, например сердечнике трансформатора, с датчиками 410, 420 температуры для регулирования температуры поверхности компонентов 320, 330. Температура Tair внутри корпуса 310 может дополнительно регулироваться теплом, излучаемым силовым магнитным компонентом 320 и нагревателями, расположенными на пути принудительного потока воздуха, чтобы максимально увеличить эффективность нагревательных элементов и довести температуру Tair внутреннего воздуха до уровня, при котором конденсат внутри корпуса 310 не образуется или, если конденсат образуется, высушить его. Это означает, что внутренние температуры компонентов для компонентов 320 и 330 должны быть равны или превышать температуру точки росы (Tdewpoint) внутреннего воздуха (Tair ≥ Tdewpoint) до подачи напряжения, которое может вызвать электрические токи утечки, что ведет в конечном итоге к повреждению компонентов.

[0042] Поскольку удельная теплоемкость или теплоемкость таких материалов, как электротехническая сталь, используемая в силовых магнитных компонентах 320 или алюминий и медь, используемых в силовых электронных компонентах 330, таких как радиаторы и электрические шины, намного больше, чем у окружающего их воздуха, в частности, когда компоненты 320, 330 работают, измерение температуры (датчики 410, 420 температуры) используется для проверки того, что компоненты 320, 330, по меньшей мере, имеют одинаковую или более высокую температуру, чем температура внутреннего воздуха, которая всегда, по меньшей мере, равна или больше температуры точки росы Tdewpoint, т.е. Tair ≥ Tdewpoint. Внешний источник тепла, такой как система 350 нагрева, предусмотрен для повышения температуры компонентов 320, 330, так что компоненты 320, 330 достигают этого условия Tair ≥ Tdewpoint до подачи электрической энергии. Кроме того, поскольку уровень воздушного потока, проходящего через теплообменник 342 как внутри, так и снаружи шкафа или корпуса 310 (CFMin, CFMout), определяет уровень тепла, который может передаваться наружу корпуса 310, уровнем воздушного потока управляют по мере необходимости для поддержания работы без конденсации, а также для управления максимальной рабочей температурой оборудования 320, 330 внутри корпуса 310.

[0043] На ФИГ. 5 представлена блок-схема последовательности операций способа 500 управления температурой внутри корпуса 310, содержащего частотно-регулируемый привод в соответствии с примерным вариантом осуществления, описываемом в настоящем документе. Способ 500 выполняется с использованием, например, системы 300 управления температурой, как описано в настоящем документе.

[0044] Этап 510 содержит определение температуры Tair внутреннего воздуха внутри корпуса 310 с использованием датчика температуры, такого как, например, датчик 430 температуры. Если температура внутреннего воздуха Tair ниже его температуры Tdewpoint точки росы, температура внутреннего воздуха Tair увеличивается, чтобы быть равной или превышающей температуру Tdewpoint точки росы, например, нагревателями. Чтобы предотвратить конденсацию, температура внутреннего воздуха Tair должна быть больше или равна температуре точки росы или температуре Tdewpoint по влажному термометру воздуха внутри корпуса 310.

[0045] Этап 520 содержит определение, например, измерения температур компонентов 320, 330 внутри корпуса 310. В частности, температуру Tpe поверхности силового электронного компонента 330 и/или температуру Tmag поверхности силового магнитного компонента 320 измеряют с использованием датчиков температуры, таких как, например, датчики 410, 420 температуры.

[0046] Этап 530 включает в себя управление температурами одного или нескольких компонентов 320, 330 относительно температуры Tair внутреннего воздуха внутреннего воздуха перед подачей электрической энергии и работой одного или нескольких компонентов 320, 330 для предотвращения вызываемого конденсацией электрического отказа одного или нескольких компонентов 320, 330. Температурами управляют с использованием, например, системы 340 охлаждения и/или системы 350 нагрева. Затем подводимая электроэнергия подается на один или несколько компонентов 320, 330, и источник питания начинает работу (этап 540).

[0047] Для предотвращения конденсации внутри корпуса 310, и, в частности, с учетом компонентов 320, 330, тепло, обозначенное как Qmag и Qpe, подводится к тем компонентам 320, 330, которые, как известно, имеют температуру ниже температуры Tair внутреннего воздуха (которая, в свою очередь, равна или превышает температуру Tdewpoint точки росы) с использованием системы 350 нагрева. Тепло Qmag, Qpe добавляется к компоненту 320 и/или компоненту 330 до тех пор, пока температуры Tmag, Tpe компонентов 320, 330 не превысят температуру Tair внутреннего воздуха до того, как будет разрешена подача подводимой электроэнергии, например, путем замыкания контакта 460, запитывающего силовой магнитный компонент 320 и/или силовой электронный компонент 330.

[0048] Температура Tair внутреннего воздуха корпуса 310 может дополнительно регулироваться теплом, излучаемым силовыми магнитными компонентами 320, когда они работают, и нагревателями, расположенными на пути принудительного потока воздуха, чтобы максимально увеличить эффективность нагревательных элементов системы 350 нагрева.

[0049] Во время работы источника питания температура компонентов 320, 330 обычно повышается, и они требуют охлаждения. Таким образом, компоненты 320, 330 охлаждаются с использованием системы 340 охлаждения. Контроллер 400 выполнен с возможностью принимать измерения температуры от датчиков 410, 420, 430 температуры компонентов 320, 330 и корпуса 310 и подает сигнал (сигналы) в систему 340 охлаждения, чтобы начать процесс охлаждения. Во время охлаждения температура Tair внутреннего воздуха также регулируется так, чтобы она была равна или превышала температуру Tdewpoint точки росы, чтобы избежать конденсации внутри корпуса 310.

[0050] В дополнительном варианте осуществления контроллер 400 выполнен так, чтобы не позволять воздуху течь с обеих сторон теплообменников (CFMin, CFMout) до тех пор, пока не будет выполнено условие Tair ≥ Tdewpoint. Расход внутреннего воздушного контура CFMin увеличивается от нуля только после того, как Tpe и Tmag > Tair, при использовании, например, вентилятора 348. На этой стадии можно отвести Qmag и Qpe. По мере того, как температура увеличивается за счет нормальной электрической работы и оказывается возможным передать тепло наружному воздуху (Tair out), то для поддержания температуры воздуха шкафа по мере необходимости можно увеличивать расход наружного воздушного контура CFMout, используя, например, вентилятор 349. Таким образом, конденсация устраняется до подачи электрической энергии, и температура Tair внутреннего воздуха всегда поддерживается выше или равной температуре компонентов, гарантируя, что эти компоненты остаются без конденсации.

[0051] Хотя варианты осуществления настоящего изобретения были раскрыты в примерных формах, для специалиста в данной области очевидно, что в нем можно сделать много модификаций, дополнений и удалений, не отклоняясь от сущности и не выходя за объем изобретения и его эквивалентов, как изложено в нижеприведенной формуле изобретения.

Claims

1. Система (300) управления температурой для частотно-регулируемого привода (10, 100), содержащая:

герметичный корпус (310),

силовой магнитный компонент (320) и/или силовой электронный компонент (330), расположенный внутри герметичного корпуса (310), и

контроллер (400), выполненный с возможностью

управления температурой (Tmag, Tpe) силового магнитного компонента (320) и/или силового электронного компонента (330) относительно температуры (Tair) внутреннего воздуха внутри герметичного корпуса (310) перед подачей электрической энергии и работой силового магнитного компонента (320) и/или силового электронного компонента (330) для предотвращения вызываемого конденсацией электрического отказа силового магнитного компонента (320) и/или силового электронного компонента (330), причем температура (Tair) внутреннего воздуха равна или превышает температуру (Tdewpoint) точки росы внутри герметичного корпуса (310).

2. Система (300) управления температурой по п. 1, дополнительно содержащая:

систему (340) охлаждения, содержащую теплообменник (342), причем теплообменник (342) расположен так, что во время работы силовой магнитный компонент (320) и/или силовой электронный компонент (330) охлаждаются, и тепло отводится наружу от корпуса (310).

3. Система (300) управления температурой по п. 2, в которой теплообменник (342) выполнен в виде теплообменника с замкнутым контуром типа «воздух-воздух».

4. Система (300) управления температурой по п. 2, в которой теплообменник (342) выполнен в виде модульного теплообменника, содержащего один или несколько модулей (344, 346), так что охлаждающую способность можно регулировать путем изъятия или добавления модулей (344, 346).

5. Система (300) управления температурой по п. 3, в которой теплообменник типа «воздух-воздух» выполнен в виде перекрестноточного теплообменника или противоточного теплообменника.

6. Система (300) управления температурой по п. 1, в которой силовой электронный компонент (330) содержит датчик (410) температуры для определения температуры (Tpe) поверхности силового электронного компонента (330).

7. Система (300) управления температурой по п. 1, в которой силовой магнитный компонент (320) содержит датчик (420) температуры для определения температуры (Tmag) поверхности силового магнитного компонента (320).

8. Система (300) управления температурой по п. 1, в которой силовой электронный компонент (330) содержит несколько силовых ячеек, выполненных как подсистемы M2C, или подсистемы M2CL, или каскадные Н-мостовые подсистемы.

9. Система (300) управления температурой по п. 1, в которой силовой электронный компонент (330) содержит многопульсовый выпрямитель.

10. Система (300) управления температурой по п. 1, в которой силовой магнитный компонент (320) выбирается из группы, состоящей из разделительного трансформатора, входного индуктора, выходного индуктора и их комбинации.

11. Система (300) управления температурой по п. 9, дополнительно содержащая систему (350) нагрева, причем контроллер (400) дополнительно выполнен с возможностью управления температурой (Tmag) силового магнитного компонента (320) относительно внутренней температуры (Tair) воздуха внутри герметичного корпуса (310) перед подачей электрической энергии и работой силового электронного компонента (330) для предотвращения вызываемого конденсацией электрического отказа силового электронного компонента (330).

12. Система (300) управления температурой по п. 11, в которой система (350) нагрева содержит нагревательные элементы, расположенные в заданных местах непосредственно на силовом электронном компоненте (330) и/или силовом магнитном компоненте (320).

13. Система (300) управления температурой по п. 11, в которой система (350) нагрева содержит индукционный нагрев через повышение частоты возбуждения при понижении напряжения для управления температурой силового электронного компонента (330) и/или силового магнитного компонента (320).

14. Система (300) управления температурой по п. 7, в которой датчик (420) температуры применяется непосредственно к магнитному сердечнику силового магнитного компонента (320).

15. Система (300) управления температурой по п. 1, дополнительно содержащая датчик (430) температуры внутреннего воздуха, расположенный внутри герметичного корпуса (310).

16. Система (300) управления температурой по п. 1, в которой герметичный и изолированный корпус (310) выполнен в виде полностью герметичного и изолированного корпуса, соответствующего классу NEMA 4.

17. Частотно-регулируемый привод (10, 100), содержащий систему (300) управления температурой по любому из предыдущих пп. 1-16.

18. Способ (500) управления температурой внутри герметичного корпуса (310), содержащего один или несколько компонентов (320, 330) частотно-регулируемого привода (10, 100), включающий в себя:

регулирование (510) температуры (Tair) внутреннего воздуха внутри герметичного корпуса (310) таким образом, чтобы температура (Tair) внутреннего воздуха была равна или превышала температуру (Tdewpoint) точки росы;

определение (520) температур (Tmag, Tpe) одного или нескольких компонентов (320, 330), расположенных внутри герметичного корпуса (310);

управление (530) температурами одного или нескольких компонентов (320, 330) относительно температуры (Tair) внутреннего воздуха перед подачей электрической энергии и работой одного или нескольких компонентов (320, 330) для предотвращения вызываемого конденсацией электрического отказа одного или нескольких компонентов (320, 330); и

подача (540) подводимой электроэнергии на один или несколько компонентов (320, 330).

19. Способ по п. 18, дополнительно включающий в себя:

подведение тепла к одному или нескольким компонентам (320, 330) таким образом, чтобы температуры (Tmag, Tpe) одного или нескольких компонентов (320, 330) были выше, чем температура (Tair) внутреннего воздуха, с помощью системы (350) нагрева; и

охлаждение одного или нескольких компонентов (320, 330) с помощью системы (340) охлаждения, когда температура (Tair) внутреннего воздуха и/или температуры (Tmag, Tpe) одного или нескольких компонентов (320, 330) превышают заданную температуру.

20. Способ по п. 18, дополнительно включающий в себя:

управление расходом внутреннего воздушного контура (CFMin) внутри герметичного корпуса (310) относительно одного или нескольких компонентов (320, 330) и температурой (Tair) внутреннего воздуха, а также управление расходом наружного воздушного контура (CFMout) снаружи герметичного корпуса (310) относительно температуры (Tair) внутреннего воздуха,

причем расходами (CFMin, CFMout) управляют таким образом, что расходы (CFMin, CFMout) практически равны нулю, пока температура (Tair) внутреннего воздуха не станет равной или большей, чем температура (Tdewpoint) точки росы.