牽引變流裝置的製作方法

2023-10-29 10:17:02 1

專利名稱：牽引變流裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及車輛牽引變流裝置領域，特別涉及一種牽引變流裝置。
背景技術：
目前，隨著軌道交通的快速發展，各種電力機車或內燃機車等普遍採用
大功率的牽引變流裝置，例如絕鄉彖4冊雙極電晶體(Insulate Gate Bipolar Transistor, IGBT )牽引變流器。
牽引變流裝置一般由脈衝整流器、直流濾波電路、逆變器、真空交流接 觸器等主電路設備和無觸點控制裝置、控制電源等控制電路設備構成，上述 設備都組裝於一個箱體內，以減小設備組裝後佔用的空間。這樣的設備配置 雖然可以滿足輕量化和結構緊湊要求，但由於單位體積內的設備運行時的熱 流量增大，使得設備散熱問題更為突出，因此，牽引變流裝置通常需要冷卻 系統進4亍冷卻。
現有牽引變流裝置的冷卻系統， 一般僅針對功率單元(即脈衝整流器和 逆變器)進行散熱，通過置於獨立的風道內的強迫風冷散熱器來實現，而控 制電路設備和主電路設備中的其他部分，例如電阻、傳感器、無觸點控制裝 置和控制電源等電器設備分散布置在所述箱體的特定不同的區域內，難於安 裝散熱器和獨立的風道，因此往往沒有對這部分電器設備進行專門的散熱處 理。事實上，這些電器設備在工作時也會產生相當大的熱量，使得所述箱體 內的溫度升高，影響了這些電器設備運行的可靠性。
現有技術中某些牽引變流裝置內，對上迷除功率單元之外的電器設備分 別設置了風扇進行通風散熱，但是，風扇運轉帶來的灰塵卻導致牽引變流裝 置的箱體內部積灰嚴重，而灰塵也會對所述電器設備以及風扇的正常工作帶
來諸多影響，也會堵塞通風孔，引起散熱不良。

發明內容
本發明解決的問題是提供一種牽引變流裝置，所述牽引變流裝置的冷卻系統能夠從整體上對牽引變流裝置的箱體降溫，並且避免箱體內部電器設備 積灰的現象，從而提高牽引變流裝置運行的可靠性。
為解決上述問題，本發明提供一種牽引變流裝置，設置於封閉的箱體中，
包括
位於所述箱體中央的功率單元， 位於所述箱體側面的內冷單元，
包括外部冷卻系統和內部冷卻系統的冷卻系統；其中，
所述外部冷卻系統，設置在所述功率單元附近，通過與箱體外界進行熱 交換對所述功率單元散熱；
所述內部冷卻系統，設置在所述內冷單元附近，通過與所述外部冷卻系 統進行熱交換對所述內冷單元散熱。
所述箱體外壁上具有進風口和出風口 ，
所述內部冷卻系統包括輔鼓風機，風道和熱管換熱器；其中，
所述輔鼓風機，位於所述內冷單元的上遊，用於向所述內冷單元輸送氣 流，所述氣流將內冷單元的熱量帶至所述熱管換熱器的受熱端，
所述風道，連通所述熱管散熱器的受熱端和輔鼓風機，用於將流經所述 熱管換熱器的受熱端的氣流輸送回輔鼓風機，
所述熱管換熱器，其受熱端位於所述內冷單元的下遊，其散熱端位於所 述外部冷卻系統中；
所述外部冷卻系統包括分流裝置，主鼓風機和排風通道；其中，
所述分流裝置，位於進風口下遊，用於將進風口進入的氣流分流至所述 熱管換熱器的散熱端和主鼓風機，
所述主鼓風機，位於所述功率單元上遊，用於向所述功率單元輸入氣流，
所述排風通道，位於所述功率單元的下遊，用於把流經所述功率單元的 氣流輸送至排風口。所述進風口處還具有空氣過濾器。
所述外部冷卻系統還包括與所述功率單元的發熱部分連接的散熱器，用 於給所述功率單元中發熱部分釋放熱量。
所述散熱器為沸騰冷卻器或均溫板。
所述主鼓風機為雙葉輪電動鼓風機。
所述功率單元包括脈衝整流器功率模塊和逆變器功率模塊。
所述脈衝整流器功率模塊和逆變器功率模塊包括智能功率模塊或IGBT 模塊、二極體、緩衝電容器、緩衝電阻器、門極接口電路板、層壓板母線或 低感母排、平衡電阻器和濾波電容器。
內冷單元包括電阻、傳感器、控制箱。
內冷單元還包括真空接觸器、繼電器單元和無觸點控制裝置。 所述分流裝置還具有分流比例調節部件。
所述外部冷卻系統中還包括位於所述脈衝整流器功率模塊和逆變器功率 模塊下遊的次級分流裝置。
與現有技術相比，上述技術方案具有以下優點
所述牽引變流裝置通過整體上配置功率單元和內冷單元在箱體中的位 置，由內部冷卻系統和外部冷卻系統分別對內冷單元和功率單元進行散熱， 而內部冷卻系統中的沒有箱體外的空氣流入，僅與外部冷卻系統進行熱交換
對所述內冷單元散熱，外部冷卻系統直接對功率單元進行散熱，如此以來， 無論對設置相對集中的功率單元，還是設置相對分散的電阻、傳感器、控制 箱等所謂內冷單元，能夠從整體上進行散熱，控制電器設備的溫升，而且， 由於內部冷卻系統中沒有外界空氣的進入，可以避免灰塵積聚的問題，從而
提高牽引變流裝置運行的可靠性。


通過附圖所示，本發明的上述及其它目的、特徵和優勢將更加清晰。在 全部附圖中相同的附圖標記指示相同的部分。並未刻意按實際尺寸等比例縮放繪製附圖，重點在於示出本發明的主旨。
圖1為本發明實施例一中牽引變流裝置的內部冷卻系統示意圖； 圖2為本發明實施例一中牽引變流裝置的外部冷卻系統示意圖； 圖3為本發明實施例一中牽引變流裝置的散熱器結構示意圖； 圖4為本發明實施例二中牽引變流裝置的外部冷卻系統示意圖。
具體實施例方式
為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖 對本發明的具體實施方式
做詳細的說明。
在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明，但是本發 明還可以採用其他不同於在此描述的其它方式來實施，因此本發明不受下面 公開的具體實施例的限制。
其次，本發明結合示意圖進行詳細描述，在詳述本發明實施例時，為便 於說明，表示裝置結構的剖面圖會不依一般比例作局部放大，而且所述示意 圖只是示例，其在此不應限制本發明保護的範圍。此外，在實際製作中應包 含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。
為突出本發明的特點，附圖中沒有給出與本發明的發明點必然直接相關 的部分，例如，牽引變流裝置所在的箱體、機車車體，智能功率模塊或IGBT 模塊、二極體、緩沖電容器、緩衝電阻器、門極接口電路板、層壓板母線或 低感母排、平衡電阻器和濾波電容器等
牽引變流裝置的冷卻系統，需要對功率單元迅速的散熱，還應保證箱體 內的溫升較小，滿足設計規定的要求，而且內部電器設備上儘量沒有灰塵。
而現有的牽引變流裝置的冷卻系統主要考慮了功率單元的散熱，而對電 阻、傳感器、控制箱等未能實現有效的散熱，或者只是對部分電器設備安裝 了散熱器和風扇，未從牽引變流裝置的整體角度綜合加以考慮散熱問題。
基於此，本發明提供了一種牽引變流裝置，設置於封閉的箱體中，包括:位於所述箱體中央的功率單元，位於所述箱體側面的內冷單元，包括外部冷
卻系統和內部冷卻系統的冷卻系統；其中，所述外部冷卻系統，設置在所述 功率單元附近，通過與箱體外界進行熱交換對所述功率單元散熱；所述內部 冷卻系統，設置在所述內冷單元附近，通過與所述外部冷卻系統進行熱交換 對所述內冷單元散熱。
以上所述的內冷單元是指牽引變流裝置中，除功率單元之外的電器設 備，例如電阻、傳感器、控制箱、真空接觸器、繼電器單元和無觸點控制裝 置等。
本發明的基本思想在於，通過對牽引變流裝置中各個電器設備的布置和 冷卻系統的設計，可以克服現有不對所述內冷單元的電器設備散熱，而導致 可靠性降低和對內冷單元的電器設備單獨散熱帶來的積灰等問題。具有便於 電源配置和集中檢查、提高電器設備和元件工作可靠性的優點。
下面給出本發明所述牽引變流裝置的具體實施方式
。
實施例一
圖1為本實施例中牽引變流裝置的內部冷卻系統示意圖；圖2為本實施 例中牽引變流裝置的外部冷卻系統示意圖。
所述牽引變流裝置，設置於一封閉的箱體中，包括
位於所述箱體中央的功率單元，位於所述箱體側面的內冷單元，以及包 括外部冷卻系統和內部冷卻系統的冷卻系統。
參照圖1和圖2所示，所述外部冷卻系統，設置在所述功率單元附近， 通過與箱體外界進行熱交換對所述功率單元散熱；所述內部冷卻系統，設置
在所述內冷單元附近，通過與所述外部冷卻系統進4亍熱交換對所述內冷單元散熱。
所述功率單元包括脈衝整流器功率模塊和逆變器功率模塊，這部分也 即牽引變流裝置主要的發熱部分。
其中，所述脈衝整流器功率模塊和逆變器功率模塊包括智能功率模塊(IPM, Intelligent Power Module )或IGBT模塊、二極體、緩衝電容器、緩衝 電阻器、門極接口電路板、層壓板母線或低感母排、平衡電阻器和濾波電容器。
內冷單元包括電阻、傳感器、控制箱。所述內冷單元是指牽引變流裝 置中、由內部冷氣系統冷卻的電器設備。
上述功率單元和內冷單元的電器設備配置例如為採用單相電壓三點式 PWM脈衝整流器和三相電壓三點式PWM逆變器，箱體中包括U相、V相脈 沖整流器功率模塊和U相、V相、W相逆變器功率模塊；將脈衝整流器功率 模塊和逆變器功率模塊設置在箱體的中央，以便於集中配置電源設備；內冷 單元中的電阻、傳感器、控制箱等分散在箱體中的特定位置。真空接觸器、 繼電器單元和無觸點控制裝置等配置於箱體前側，以便於集中檢查。
本實施例中冷卻系統實質是採用風冷原理。所述箱體外壁上具有進風口 和出風口，如圖1所示，所述內部冷卻系統包括:輔鼓風機，風道和熱管換 熱器。其中，
所述輔鼓風機，位於所述內冷單元的上遊，用於向所述內冷單元輸送氣 流，所述氣流將內冷單元的熱量帶至所述熱管換熱器的受熱端，功率模塊的 車側設置主鼓風機，所述主鼓風機例如為雙葉輪電動鼓風機，向功率模塊送 風。
所述風道，連通所述熱管散熱器的受熱端和輔鼓風機，用於將流經所述 熱管換熱器的受熱端的氣流輸送回輔鼓風機。
所述熱管換熱器，其受熱端位於所述內冷單元的下遊，其散熱端位於所 述外部冷卻系統中。
如圖2所示，所述外部冷卻系統包括:分流裝置，主鼓風機和排風通道。 其中，
所述分流裝置，位於進風口下遊，用於將進風口進入的氣流分流至所述 熱管換熱器的散熱端和主鼓風才幾，
所述主鼓風機，位於所述功率單元上遊，用於向所述功率單元輸入氣流，所述排風通道，位於所述功率單元的下遊，用於把流經所述功率單元的 氣流輸送至排風口。
所謂的上遊、下遊是按照冷卻系統工作時送風氣流的流動方向。
下面介紹上述牽引變流裝置中冷卻系統的工作原理。
所述冷卻系統分為內部冷卻系統和外部冷卻系統兩大部分，前者主要為 電阻、傳感器、控制箱等所謂的內冷單元冷卻、降溫，後者主要為功率單元 冷卻、降溫。外部冷卻系統與箱體的外界直接進行熱交換，而內部冷卻系統
和外部冷卻系統這兩大冷卻系統通過熱管換熱器進行熱交換。圖1和圖2分
別示出所述內部冷卻系統和外部冷卻系統。
在內部冷卻系統中，輔鼓風機向分散在密閉室內的電阻、傳感器、控制 箱等所謂內冷單元吹風，氣流使熱量被傳至熱管換熱器的受熱端，由受熱端
再傳至散熱端，而被外部冷卻系統帶走；然後獨立的風道將流經所述熱管換 熱器的受熱端的氣流輸送回輔鼓風機，由輔鼓風機循環的吹向內冷單元。在 內部冷卻系統裡的空氣被循環利用，沒有箱體外的氣流進入，這樣就大大減 少了箱體內的積灰，也能有效地將熱量帶走。
在外部冷卻系統中，由進風口進入箱體內的空氣被下遊的分流裝置分為 兩部分， 一部分流向熱管換熱器的散熱端，帶走內部冷卻系統中的熱量，然 後再進入主鼓風機；另一部分空氣則直4矣進入主鼓風機，由主鼓風才幾吹向主 要的發熱部分功率單元，例如為脈衝整流器功率模塊和逆變器功率模塊，將 功率單元的熱量由出風口帶出箱體。
可見，上述牽引變流裝置通過整體上配置功率單元和內冷單元在箱體中 的位置，由內部冷卻系統和外部冷卻系統分別對內冷單元和功率單元進行散 熱，而內部冷卻系統中的沒有箱體外的空氣流入，僅與外部冷卻系統進行熱 交換對所述內冷單元散熱，外部冷卻系統直接對功率單元進行散熱，如此以 來，無論對設置相對集中的功率單元，還是設置相對分散的電阻、傳感器、 控制箱等所謂內冷單元，能夠從整體上進行散熱，控制電器設備的溫升，而 且，由於內部冷卻系統中沒有外界空氣的進入，可以避免灰塵積聚的問題， 從而提高牽引變流裝置運行的可靠性。優選的，所述進風口處還具有空氣過濾器，外界空氣先經過空氣過濾器 後再進入分流裝置，空氣過濾器將空氣中的灰塵和雜質留在過濾器上以淨化 空氣，進一步防止箱體內灰塵的積聚。
優選的，所述外部冷卻系統還包括與所述功率單元的發熱部分連接的散 熱器，用於給所述功率單元中發熱部分釋放熱量。所述功率單元的發熱部分
為脈衝整流器功率模塊和逆變器功率模塊，例如，智能功率模塊或IGBT模塊、
二極體、緩衝電容器、緩衝電阻器、門極接口電路板、層壓板母線或低感母 排、平衡電阻器和濾波電容器等。散熱器能夠使發熱部分的熱量充分釋放， 以便被氣流帶走，提高散熱效率。
所述散熱器可以為熱管冷卻裝置，優選的，所述散熱器採用沸騰冷卻器
(或均溫板)。圖3是沸騰冷卻器的原理示意圖，此裝置採用內存製冷容器外 壁直接接觸元件的強化散熱方式，可有效提高IPM (或IGBT)斷開性能(降 低主電路配線電感)，增強裝置冷卻性能、減小體積、降低重量。蒸發部外壁 面直接接觸元件，外壁面吸收的元件熱量傳遞到內壁面後用於內部製冷劑沸 騰，沸騰產生的蒸汽被直接導向數量眾多的散熱片組成的冷凝部。蒸汽放出 汽化潛熱並液化，在重力作用下流回蒸發部。上述循環可以實現高於熱管冷 卻裝置幾倍的冷卻性能，從而有效降^氐質量。
所述沸騰冷卻器中，製冷劑選用替代氟利昂，屬於非氟利昂系製冷劑， 既高效，又可以避免對環境的石皮壞。
上述實施例中，真空接觸器、繼電器單元和無觸點控制裝置等位於箱體 的檢查面側，實施上它們也可作為內冷單元，由內部冷卻系統進行散熱，也 即內冷單元還包括真空接觸器、繼電器單元和無觸點控制裝置。上述電器 設備雖然分散於箱體側面不同的位置，但是均可以由輔鼓風機、獨立的風道 和熱管換熱器組成的內部冷卻系統進行散熱，其散熱原理與實施例一相同， 在此不再贅述。
除此以外，所述外部冷卻系統中的分流裝置以根據換熱量的需要對其分 流的兩部分空氣的比例進行調整，從主鼓風機吹出的空氣也可以分流吹向功率單元的不同部分，具體在以下實施例中說明。 實施例二
圖4為本實施例中牽引變流裝置的外部冷卻系統的示意圖。
與實施例一相同，本實施例中，牽引變流裝置包括單相電壓三點式PWM 脈衝整流器和三相電壓三點式PWM逆變器，功率單元也包括U相、V相脈 衝整流器功率模塊和U相、V相、W相逆變器功率模塊。
與實施例一的區別在於，所述分流裝置還具有分流比例調節部件，該分 流比例調節部件將進入主鼓風機的這兩部分空氣流量的比例進行調整，可以 根據內部冷卻系統和外部冷卻系統換熱量的需要進行分配，例如，如果內冷 單元的溫升過大，則增大流向熱管換熱器散熱端的空氣流量；如果功率單元 的溫升過大，則相應增大直接進入主鼓風機的空氣流量。
所述的分流裝置可以為具有分支的風道，而所述分流比例調節部件可以 為風道的可控閘門，如此以來，可以才艮據實際的溫升狀況，調配進入外部冷 卻系統的氣流，以平衡內部冷卻系統和外部冷卻系統的熱交換量，提高整個 冷卻系統的效率
此外，優選的，所述外部冷卻系統中還包括次級分流裝置，所述次級分 流裝置位於所述脈衝整流器功率模塊和逆變器功率模塊的下遊。例如，如圖4 所示，主鼓風機出口的空氣平均為兩部分流向U相和V相脈沖整流器功率模 塊，而從脈衝整流器功率模塊流出的空氣被次級分流裝置分為大小流量兩部 分，箭頭A表示大流量，箭頭B表示小流量，大小流量的流量比為2:1,這 樣流過逆變器功率模塊時，能保證流經U相、V相和W相逆變器功率模塊的 空氣流量相同，從而保證了溫升的均勻性，有利於提高可靠性。
經過逆變器功率模塊後，空氣被次級分流裝置分成兩部分，通過兩個獨 立的排風通道排向大氣，構成外部冷卻循環，從而完成了外部冷卻系統的功能。
與分流裝置類似，所述的次級分流裝置也可以為具有分支的風道，通過 可控閘門調節進入各個分支的空氣流量。另外，本實施例中的脈衝整流器功率模塊和逆變器功率模塊，也可以和 實施例一樣包括散熱器，加快功率模塊釋放熱量，提高散熱效率。本實施例 中牽引變流裝置的內部冷卻系統與前述實施例也相同。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上 的限制。
雖然本發明已以較佳實施例披露如上，然而並非用以限定本發明。任何 熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍情況下，都可利用上 述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案作出許多可能的變動和修飾，或 修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，
均仍屬於本發明技術方案保護的範圍內。
權利要求
1、一種牽引變流裝置，設置於封閉的箱體中，其特徵在於，包括位於所述箱體中央的功率單元，位於所述箱體側面的內冷單元，包括外部冷卻系統和內部冷卻系統的冷卻系統；其中，所述外部冷卻系統，設置在所述功率單元附近，通過與箱體外界進行熱交換對所述功率單元散熱；所述內部冷卻系統，設置在所述內冷單元附近，通過與所述外部冷卻系統進行熱交換對所述內冷單元散熱。
2、 根據權利要求l所述的牽引變流裝置，所述箱體外壁上具有進風口和 出風口，其特徵在於，所述內部冷卻系統包括輔鼓風機，風道和熱管換熱器；其中，所述輔鼓風機，位於所述內冷單元的上遊，用於向所述內冷單元輸送氣 流，所述氣流將內冷單元的熱量帶至所述熱管換熱器的受熱端，所述風道，連通所述熱管散熱器的受熱端和輔鼓風機，用於將流經所述 熱管換熱器的受熱端的氣流輸送回輔鼓風機，所述熱管換熱器，其受熱端位於所述內冷單元的下遊，其散熱端位於所 述外部冷卻系統中；所述外部冷卻系統包括分流裝置，主鼓風機和排風通道；其中，所述分流裝置，位於進風口下遊，用於將進風口進入的氣流分流至所述 熱管換熱器的散熱端和主鼓風機，所述主鼓風機，位於所述功率單元上遊，用於向所述功率單元輸入氣流，所述排風通道，位於所述功率單元的下遊，用於把流經所述功率單元的 氣流輸送至排風口。
3、 根據權利要求2所述的牽引變流裝置，其特徵在於，所述進風口處還 具有空氣過濾器。
4、 根據權利要求2所述的牽引變流裝置，其特徵在於，所述外部冷卻系統還包括與所述功率單元的發熱部分連接的散熱器，用於給所述功率單元中發熱部分釋放熱量。
5、 根據權利要求4所述的牽引變流裝置，其特徵在於，所述散熱器為沸騰冷卻器或均溫板。
6、 根據權利要求2所述的牽引變流裝置，其特徵在於，所述主鼓風機為雙葉輪電動鼓風機。
7、 根據權利要求1或2所述的牽引變流裝置，其特徵在於，所述功率單元包括脈衝整流器功率模塊和逆變器功率模塊。
8、 根據權利要求7所述的牽引變流裝置，其特徵在於，所述脈衝整流器功率模塊和逆變器功率模塊包括智能功率模塊或IGBT模塊、二極體、緩沖電容器、緩沖電阻器、門極接口電路板、層壓板母線或低感母排、平衡電阻器和濾波電容器。
9、 根據權利要求1或2所述的牽引變流裝置，其特徵在於，內冷單元包括電阻、傳感器、控制箱。
10、 根據權利要求9所述的牽引變流裝置，其特徵在於，內冷單元還包括真空接觸器、繼電器單元和無觸點控制裝置。
11、 根據權利要求2所述的牽引變流裝置，其特徵在於，所述分流裝置還具有分流比例調節部件。
12、 根據權利要求2或11所述的牽引變流裝置，其特徵在於，所述外部冷卻系統中還包括位於所述脈衝整流器功率模塊和逆變器功率模塊下遊的次級分流裝置。
全文摘要
本發明提供一種牽引變流裝置，設置於封閉的箱體中，包括位於所述箱體中央的功率單元，位於所述箱體側面的內冷單元，包括外部冷卻系統和內部冷卻系統的冷卻系統；其中，所述外部冷卻系統，設置在所述功率單元附近，通過與箱體外界進行熱交換對所述功率單元散熱；所述內部冷卻系統，設置在所述內冷單元附近，通過與所述外部冷卻系統進行熱交換對所述內冷單元散熱。所述牽引變流裝置的冷卻系統能夠從整體上對牽引變流裝置的箱體降溫，並且避免箱體內部電器設備積灰的現象，從而提高牽引變流裝置運行的可靠性。
文檔編號H02M1/00GK101459375SQ200910076598
公開日2009年6月17日 申請日期2009年1月9日 優先權日2009年1月9日
發明者傑 丁, 張曙光, 張秋紅, 徐景秋, 陳燕平, 馬伯樂 申請人:鐵道部運輸局;株洲南車時代電氣股份有限公司