一種大功率變流器裝置風冷散熱結構的製作方法
2023-05-15 06:31:11
專利名稱：一種大功率變流器裝置風冷散熱結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種大功率變流器的風冷散熱結構，具體涉及一種隔離型大功率變流器裝置風冷散熱結構。本發明主要用於具有較多無源元件的大功率變流器的風冷散熱結構，屬於電力電子器件製造技術領域。
背景技術：
在工業領域中，大功率電力電子裝置存在許多熱源，這些熱源主要來自有源和無源發熱元件。有源發熱元件主要指電力電子器件，如可控矽、IGBT、GTO、IGCT；無源發熱元件則主要包括電抗器、電阻器、變壓器等。所有這些發熱元件都會使裝置的溫度升高，從而導致裝置內部的元器件性能變差，壽命減低。隨著電力電子裝置向小型化、輕量化、可靠化的方向發展，更加有效的散熱技術成了研究的重點。
現有大功率電力電子裝置熱設計過程中，通常對功率模塊和其他發熱元件分別進行散熱。相對於變壓器、電抗器等無源元件而言，功率模塊因體積較小而使熱容量受限制，溫度易被快速拉升，使其散熱問題尤為突出。在大功率場合，通常採取專門的散熱器輔助散熱，並對散熱器進行強制冷卻，比如採用強迫風冷、水冷、油冷、熱管散熱等方式。
在眾多散熱方式中，強制風冷的散熱效果遠好於自然風冷，而複雜性又大大低於水冷和油冷，價格低於熱管散熱方式，且可靠性也較高，因此是功率為數百瓦到數百千瓦的電力電子裝置的主要散熱方式。
通常情況下，選用散熱面積較大的型材散熱器和風量較大的風機可以降低散熱器到環境的熱阻，提高散熱效果，但散熱面積的增加和風機風量的提高均受到散熱器的加工工藝、體積、重量以及噪音等指標的限制。因此，在散熱器和風機參數一定的條件下，合理的風道設計是改善散熱效果的又一有效途徑。在包含許多發熱無源元件的大功率電力電子裝置中，如何緊湊的設計風道，並且減小風機數量和裝置體積顯得至關重要。
現有的電力電子裝置多採取側向進風，側向直接出風的散熱結構形式，如中國專利(專利號為99227679.9，名稱為「半導體器件上的橫流風扇冷卻裝置」)所公開的技術內容。這種結構實現簡單，體積較小，但由於進風口和出風口散熱效果不一致，存在明顯的溫度梯度。對於大功率變流器裝置，僅僅依靠這種橫流風扇冷卻裝置顯然不能滿足要求。中國專利號為200410073407.3，名稱為「一種高效率低噪聲散熱器和常用散熱器的改進設計」的專利，公開了一種新型的風冷散熱器，能夠加大風量的利用效率，改善散熱效果，但並未從根本上解決單純橫向冷卻存在溫度梯度的問題。中國專利號為200820054320.5，名稱為「一種變流裝置的散熱裝置」的專利，公開了一種散熱結構，在一定程度上減小了功率模塊進風口與出風口的溫度梯度，但並沒有考慮功率模塊散熱風道與其他風道的配合關係。另外，中國專利號為200820054322.4，名稱為「一種變流裝置電抗器散熱結構」的專利，公開了一種電抗器散熱與電力電子功率器件散熱協調統一的結構，但是並不適用於包含多個無源發熱元件的裝置。因此，針對含有多個無源發熱元件的大功率電力電子裝置的散熱結構形式，有必要進一步研究。
發明內容
本發明目的是提供一種大功率變流器裝置風冷散熱結構，其目的是提供一種將多種無源元件與電力電子功率器件進行協調統一散熱的結構，該結構通過獨立且緊湊的風道保證了電力電子功率器件和多種無源元件的散熱效果，減小散熱裝置體積。
為達到上述目的，本發明採用的技術方案是一種大功率變流器裝置風冷散熱結構，在該大功率變流器裝置的機櫃腔體內設豎向隔板，該豎向隔板將腔體內部空間分隔出第一腔體和第二腔體；第一腔體和第二腔體的頂部分別設出風口，第一腔體和第二腔體的底部分別設進風口，以此形成第一、第二兩個散熱風道；該大功率變流器裝置的電力電子功率器件和電力電子控制部件設於第一風道內，且電力電子功率器件和電力電子控制部件沿第一風道的氣流方向依次布置；該大功率變流器裝置的輔助變壓器、網側電感、變流器側電感、交流濾波電容、直流側電阻以及阻尼電阻設於第二風道內，且輔助變壓器、網側電感、變流器側電感、交流濾波電容、直流側電阻以及阻尼電阻沿第二風道的氣流方向依次布置；所述第一風道和第二風道上均設有風扇。
上述技術方案中的有關內容解釋如下 1、上述方案中，所述豎向隔板的底邊與機櫃底面之間留有間距，以此在機櫃腔體底部形成一連通空間；連通空間的側面設共用進風口，該共用進風口與第一腔體和第二腔體的進風口連通。
2、上述方案中，所述電力電子功率器件、電力電子控制部件固定於縱向隔板的一側表面上，所述交流濾波電容、阻尼電阻、直流側電阻固定於縱向隔板的另一側表面上，所述輔助變壓器、網側電感、變流器側電感固定於連通空間內。
3、上述方案中，所述網側電感與輔助變壓器間距為10cm，與變流器側電感間距為10cm。
4、上述方案中，所述第一風道的風扇為離心風機，它設於第一風道下部；所述第二風道的風扇為離心風機，它設於第二風道的頂部。
5、上述方案中，所述交流濾波電容底側設有用於阻擋熱流的隔熱板。
6、上述方案中，所述網側電感、變流器側電感的正面朝向第二風道內氣流方向。
7、上述方案中，所述阻尼電阻的底部設有用於支撐的金屬支架。
本發明工作原理及優點是電力電子功率器件和多種無源元件擁有各自獨立的風道，且二者的風道出口均位於機櫃頂部。在機櫃進風口的入口處設有將機櫃隔離成兩個分區的豎向隔板，功率模塊及控制部件置於其中一個分區內，所有發熱無源元件置於另一個分區內。功率模塊的分區嵌入到無源元件分區的上部，中間用豎向隔板隔開。隔板可為非全隔離型的，隔板上部與兩側為全隔離的，上部直接與機櫃頂部相連接，隔板兩側直接與機櫃側面連接，而隔板下部為非隔離的，即不與機櫃底板相連，以便於風道的通暢，該結構通過獨立且緊湊的風道保證了電力電子功率器件和多種無源元件的散熱效果，減小了風機數量和散熱裝置體積。
附圖1為本實施例的機櫃櫃體主視圖； 附圖2為本實施例的機櫃櫃體左視圖； 附圖3為本實施例的機櫃櫃體後視圖； 附圖4為本實施例的機櫃櫃體俯視圖； 附圖5為本實施例的機櫃內部主視圖； 附圖6為實施例的機櫃內部左視圖； 附圖7為實施例的機櫃內部後視圖。
具體實施例方式 下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述 實施例一種大功率變流器的風冷散熱結構裝置 一種大功率變流器裝置風冷散熱結構，在該大功率變流器裝置的機櫃腔體內設豎向隔板，該豎向隔板將腔體內部空間分隔出第一腔體和第二腔體；第一腔體和第二腔體的頂部分別設出風口，第一腔體和第二腔體的底部分別設進風口，以此形成第一、第二兩個散熱風道，所述豎向隔板的底邊與機櫃底面之間留有間距，以此在機櫃腔體底部形成一連通空間；連通空間的側面設共用進風口，該共用進風口與第一腔體和第二腔體的進風口連通；該大功率變流器裝置的電力電子功率器件(SKiip-1、SKiip-2、SKiip-3)和電力電子控制部件設於第一風道內，且電力電子功率器件(SKiip-1、SKiip-2、SKiip-3)和電力電子控制部件沿第一風道的氣流方向依次布置；該大功率變流器裝置的輔助變壓器(TR1)、網側電感(La1、Lb1、Lc1)、變流器側電感(La2、Lb2、Lc2)、交流濾波電容(Ca、Cb、Cc)、直流側電阻(R7、R9)以及阻尼電阻(Ra、Rb、Rc)設於第二風道內，且輔助變壓器(TR1)、網側電感(La1、Lb1、Lc1)、變流器側電感(La2、Lb2、Lc2)、交流濾波電容(Ca、Cb、Cc)、直流側電阻(R7、R9)以及阻尼電阻(Ra、Rb、Rc)沿第二風道的氣流方向依次布置；所述第一風道和第二風道上均設有風扇，該第一風道的風扇為離心風機，它設於第一風道下部；所述第二風道的風扇為離心風機，它設於第二風道的頂部。
所述電力電子功率器件、電力電子控制部件固定於縱向隔板的一側表面上，所述交流濾波電容(Ca、Ca、Cc)、阻尼電阻(Ra、Rb、Rc)、直流側電阻(R7、R9)固定於縱向隔板的另一側表面上，所述輔助變壓器(TR1)、網側電感(La1、Lb1、Lc1)、變流器側電感(La2、Lb2、Lc2)固定於連通空間內。
所述網側電感(La1、Lb1、Lc1)與輔助變壓器(TR1)間距為10cm，與變流器側電感(La2、Lb2、Lc2)間距為10cm。
所述交流濾波電容(Ca、Ca、Cc)底側設有用於阻擋熱流的隔熱板。
所述網側電感(La1、Lb1、Lc1)、變流器側電感(La2、Lb2、Lc2)的正面朝向第二風道內氣流方向。
所述阻尼電阻(Ra、Rb、Rc)的底部設有用於支撐的金屬支架。
本實施例上述內容具體解釋如下。
為電力電子功率器件SKiip-1、SKiip-2、SKiip-3設計一個獨立的第一腔體，三個電力電子功率器件SKiip-1、SKiip-2、SKiip-3在該腔體內均勻分布，相隔的間距根據實際風量和腔體體積折中考慮，實際腔體尺寸約為長*寬*高為150*100*80cm，間距6.5cm。考慮到電力電子功率器件的散熱結構為側向進風，在該第一腔體的兩側和前門下部開有進風口氣道如圖1所示，並配備防塵罩。在電力電子功率器件腔體上部即機櫃頂部開有第一腔體的出風口3，如附圖1-3所示，該第一腔體的出風口3的尺寸大致取為根據散熱器的橫截面積，第一腔體的出風口3尺寸長*寬為21.5*10cm。電力電子功率器件的散熱器置於進風口1和第一腔體的出風口3之間的第一風道內。整個第一風道是從電力電子功率器件腔體的側面進入離心風機，然後由離心風機進入到散熱器下面，通過散熱器下面上升到散熱器上面，再經由第一風道上部出風口3排出裝置。在散熱器段的風道下部設有風向強制向上的離心風機，大大加強了該功率散熱風道冷卻的效果。
主電路無源元件協調統一散熱為主電路其他所有的發熱無源元件，包括輔助變壓器TR1，變流器側電感La2、Lb2、Lc2，網側電感La1、Lb1、Lc1，交流濾波電容Ca、Cb、Cc，阻尼電阻Ra、Rb、Rc，直流側電阻R7、R9設計一個獨立的無源元件腔體，三相無源元件在無源元件腔體內均勻分布，相隔的間距根據實際風量和腔體體積折中考慮。實際第二腔體即無源元件腔體體積約為長*寬*高為150*100*220cm，三相間距約15cm。
第二風道即無源元件風道由裝置前門下部的網狀進風口1，如附圖1所示，經由輔助變壓器TR1，網側電感La1、Lb1、Lc1，再經由變流器側電感La2、Lb2、Lc2，至交流濾波電容Ca、Cb、Cc和直流側電阻R7、R9，最後經過阻尼電阻Ra、Rb、Rc至無源元件腔體頂部的腔體出風口2，如圖2所示，形成第二風道即無源元件風道。在兩扇前門下部分別開有網狀進風口，尺寸為長*寬為60*30cm。第二腔體的出風口2尺寸根據實際所需風量和風機尺寸決定，其圓形橫截面積取為450cm*cm，所有主要發熱的無源元件均置於第二風道即無源元件風道內。
輔助變壓器TR1佔用空間小，且發熱相對較小，置於第二風道即無源元件風道最前端風道入口處。
網側電感La1、Lb1、Lc1放在第二風道即無源元件風道前面，變流器側電感La2、Lb2、Lc2跟隨其後，電感正面朝向進風口。網側電感與輔助變壓器間距10cm，前後電感間距10cm。
交流濾波電容Ca、Ca、Cc置於變流器側電感La2、Lb2、Lc2之後，電容底部放置高性能隔熱板5。隔熱板5尺寸長*寬*高為150*10*2cm。交流濾波電容Ca、Ca、Cc本身發熱不是很嚴重，隔熱板5可以阻擋從電感來的熱流，防止烤熱交流濾波電容Ca、Cb、Cc器，同時起到支撐交流濾波電容Ca、Cb、Cc的目的。
直流側電阻R7、R9置於交流濾波電容Ca、Cb、Cc之後並固定在風道隔板之上，隔板尺寸長*寬*高為150*10*100cm。
阻尼電阻Ra、Rb、Rc是發熱最為嚴重的無源元件，將其置於第二風道即無源元件風道的最末端，底部用金屬支架託住。
無源元件腔體頂部即機櫃頂部安裝三臺離心式風機，如圖2所示，由前門的進風口抽風，經過所有的發熱無源元件，再從第二腔體的出風口2排出，利用其熱氣上升原理，增強了風道效果。
由上述可以看出，功率模塊散熱和無源元件散熱擁有各自獨立的風道，且二者的風道出口均位於各自腔體頂部即機櫃頂部。在風道進風口1即機櫃進風口的入口處設有將機櫃隔離成兩個分區的隔板，功率模塊及控制部件置於其中一個分區內，所有發熱無源元件置於另一個分區內。功率模塊的分區嵌入到無源元件分區的上部，中間用隔板隔開。隔板為非全隔離型的，隔板上部與兩側為全隔離的，上部直接與機櫃頂部相連接，隔板兩側直接與機櫃側面連接，而隔板下部為非隔離的，即不與機櫃底板相連，以便於風道的通暢。風道配合如圖6所示。
為了驗證以上散熱設計的合理性，在滿載條件下(380V，400A)對三相三線並聯型有源電力濾波器進行烤機，在發熱散熱平衡(溫度不變)時的，實際溫度數據和設計溫度對比如表1所示。
表1裝置滿載烤機(260kVA)溫度記錄表
由表1可見，實際溫升顯然遠遠沒有達到最高允許溫升，這表明採用的根據發熱和熱敏感元件分離的散熱體系結構效果良好，溫升有利於系統可靠性和延長元器件壽命。
上述實施例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在於讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發明的內容並據以實施，並不能以此限制本發明的保護範圍。凡根據本發明精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種大功率變流器裝置風冷散熱結構，其特徵在於在該大功率變流器裝置的機櫃腔體內設豎向隔板，該豎向隔板將腔體內部空間分隔出第一腔體和第二腔體；第一腔體和第二腔體的頂部分別設出風口，第一腔體和第二腔體的底部分別設進風口，以此形成第一、第二兩個散熱風道；該大功率變流器裝置的電力電子功率器件(SKiip-1、SKiip-2、SKiip-3)和電力電子控制部件設於第一風道內，且電力電子功率器件(SKiip-1、SKiip-2、SKiip-3)和電力電子控制部件沿第一風道的氣流方向依次布置；該大功率變流器裝置的輔助變壓器(TR1)、網側電感(La1、Lb1、Lc1)、變流器側電感(La2、Lb2、Lc2)、交流濾波電容(Ca、Cb、Cc)、直流側電阻(R7、R9)以及阻尼電阻(Ra、Rb、Rc)設於第二風道內，且輔助變壓器(TR1)、網側電感(La1、Lb1、Lc1)、變流器側電感(La2、Lb2、Lc2)、交流濾波電容(Ca、Cb、Cc)、直流側電阻(R7、R9)以及阻尼電阻(Ra、Rb、Rc)沿第二風道的氣流方向依次布置；所述第一風道和第二風道上均設有風扇。
2.根據權利要求1所述的風冷散熱結構，其特徵在於所述豎向隔板的底邊與機櫃底面之間留有間距，以此在機櫃腔體底部形成一連通空間；連通空間的側面設共用進風口，該共用進風口與第一腔體和第二腔體的進風口連通。
3.根據權利要求2所述的風冷散熱結構，其特徵在於所述電力電子功率器件、電力電子控制部件固定於縱向隔板的一側表面上，所述交流濾波電容(Ca、Ca、Cc)、阻尼電阻(Ra、Rb、Rc)、直流側電阻(R7、R9)固定於縱向隔板的另一側表面上，所述輔助變壓器(TR1)、網側電感(La1、Lb1、Lc1)、變流器側電感(La2、Lb2、Lc2)固定於連通空間內。
4.根據權利要求3所述的風冷散熱結構，其特徵在於所述網側電感(La1、Lb1、Lc1)與輔助變壓器(TR1)間距為10cm，與變流器側電感(La2、Lb2、Lc2)間距為10cm。
5.根據權利要求1所述的風冷散熱結構，其特徵在於所述第一風道的風扇為離心風機，它設於第一風道下部；所述第二風道的風扇為離心風機，它設於第二風道的頂部。
6.根據權利要求1所述的風冷散熱結構，其特徵在於所述交流濾波電容(Ca、Ca、Cc)底側設有用於阻擋熱流的隔熱板。
7.根據權利要求1所述的風冷散熱結構，其特徵在於所述網側電感(La1、Lb1、Lc1)、變流器側電感(La2、Lb2、Lc2)的正面朝向第二風道內氣流方向。
8.根據權利要求1所述的風冷散熱結構，其特徵在於所述阻尼電阻(Ra、Rb、Rc)的底部設有用於支撐的金屬支架。
全文摘要
本發明涉及一種大功率變流器裝置風冷散熱結構，在該大功率變流器裝置內豎向隔板將腔體內部空間分隔出第一腔體和第二腔體；第一腔體和第二腔體的頂部分別設出風口，第一腔體和第二腔體的底部分別設進風口，以此形成第一、第二兩個散熱風道；電力電子功率器件和電力電子控制部件設於第一風道內；輔助變壓器、網側電感、變流器側電感、交流濾波電容、直流側電阻以及阻尼電阻沿第二風道的氣流方向依次布置；所述第一風道和第二風道上均設有風扇。本發明將多種無源元件與電力電子功率器件進行協調統一散熱，並減小了風機數量和散熱裝置體積。
文檔編號H02M1/00GK101764510SQ20101010041
公開日2010年6月30日 申請日期2010年1月25日 優先權日2010年1月25日
發明者陳國柱, 王智強, 謝川, 戴民孝, 戴雋文, 陳嘯宇 申請人:蘇州華辰電氣有限公司