ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ, ОХЛАЖДАЕМЫЙ ПРИ ПОМОЩИ СТАТИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ Российский патент 2014 года по МПК H01L23/427 H02K9/20 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение касается преобразователя электрической мощности, содержащего:

- силовой электрический компонент, выполненный с возможностью участия в преобразовании электрического тока;

- замкнутый контур охлаждения, содержащий:

- двухфазную среду-теплоноситель;

- первый теплообменник, прилегающий к указанному силовому электрическому компоненту;

- второй теплообменник, выполненный с возможностью удаления тепла среды-теплоносителя за пределы контура охлаждения;

- средства приведения в движение циркуляции среды-теплоносителя в контуре охлаждения.

Настоящее изобретение касается преобразователя электрической мощности, охлаждаемого жидким теплоносителем, который можно использовать в различных областях и, в частности, в железнодорожном оборудовании, а именно в железнодорожных транспортных средствах, в оборудовании производства энергии и в оборудовании передачи электрической энергии.

Различными видами оборудования, в которых можно применять эту технологию охлаждения в части преобразования энергии, являются трансформаторы средней частоты, ветровые энергетические установки, турбины, тяговые установки, электрические двигатели, колесные тележки с встроенным приводом, подстанции питания, батареи, суперконденсаторы, маховики и вспомогательные источники питания.

Уровень техники

Для обеспечения электрического питания тяговых двигателей железнодорожные транспортные средства должны быть оборудованы бортовыми преобразователями электрической мощности. С учетом высоких значений мощности преобразователи необходимо охлаждать для удаления тепла, выделяемого коммутационными органами преобразователей.

В настоящее время охлаждение обеспечивают при помощи контура, в котором циркулирует смесь воды с этиленгликолем. Эта смесь воды с этиленгликолем циркулирует в замкнутом контуре между первым теплообменником, входящим в контакт с коммутационными органами, и вторым воздушным теплообменником. Гидравлический насос обеспечивает циркуляцию смеси воды с этиленгликолем.

Такой контур охлаждения является относительно громоздким, в частности, с учетом присутствия насосов и требует существенного технического обслуживания, тоже связанного с присутствием насосов, что повышает расходы на эксплуатацию и обслуживание железнодорожного транспортного средства.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение призвано предложить преобразователь электрической мощности для железнодорожного транспортного средства, который имеет меньшие габариты и требует меньшего технического обслуживания.

В этой связи объектом настоящего изобретения является преобразователь электрической мощности вышеуказанного типа, отличающийся тем, что указанный первый теплообменник, прилегающий к указанному силовому электрическому компоненту, содержит капиллярный испаритель, содержащий капиллярный канал, выполненный с возможностью обеспечения полного испарения среды-теплоносителя, поступающей в жидком состоянии, на уровне мениска, установившегося в канале и разделяющего жидкую и паровую фазы среды-теплоносителя, и с возможностью возврата среды-теплоносителя полностью в газообразном состоянии, при этом среда-теплоноситель циркулирует в контуре охлаждения под действием давления, создаваемого на уровне границы раздела жидкость/пар в капиллярном испарителе для образования контура капиллярного всасывания.

Согласно частным вариантам выполнения преобразователь электрической мощности содержит один или несколько следующих отличительных признаков:

- контур не содержит механического насоса для обеспечения циркуляции среды-теплоносителя;

- на входе капиллярного испарителя преобразователь содержит резервуар повышения давления среды-теплоносителя в жидком состоянии и резервуар установлен на уровне, превышающем уровень капиллярного испарителя;

- контур содержит, по меньшей мере, два капиллярных испарителя, расположенных параллельно в контуре;

- второй теплообменник, выполненный с возможностью удаления тепла среды-теплоносителя из контура охлаждения, содержит теплообменник среда-теплоноситель/ воздух;

- контур содержит теплообменник для вспомогательного охлаждения на выходе второго теплообменника, выполненного с возможностью удаления тепла среды-теплоносителя из контура охлаждения;

- преобразователь содержит средства контроля параметров давления и/или температуры охлаждающей текучей среды на входе капиллярного испарителя;

- средства контроля содержат регулятор, обеспечивающий управление давлением и/или температурой охлаждающей текучей среды на входе капиллярного испарителя в зависимости от температуры силового электрического компонента;

- средства контроля содержат регулятор, обеспечивающий управление давлением и/или температурой охлаждающей текучей среды на входе капиллярного испарителя в зависимости от профиля электрической мощности, проходящей в преобразователе электрической мощности.

Объектом настоящего изобретения является также железнодорожное транспортное средство, содержащее тяговую цепь, содержащую электрический двигатель и описанный выше преобразователь электрической мощности.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение будет более очевидно из нижеследующего описания, представленного исключительно в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - вид в перспективе бортового преобразователя в соответствии с настоящим изобретением.

фиг.2 - схематичный вид контура охлаждения преобразователя, показанного на фиг.1.

фиг.3 - блок-схема алгоритма, применяемого для управления преобразователем в соответствии с настоящим изобретением.

фиг.4 - кривая, показывающая на примере тепловую мощность, создаваемую коммутационными органами преобразователя во время фазы тяги.

фиг.5 - кривая, показывающая для фазы тяги, показанной на фиг.4, температуру перехода электрических компонентов.

Осуществление изобретения

На фиг.1 показан преобразователь 10 электрической мощности для железнодорожного транспортного средства. Этот преобразователь обычно устанавливают на локомотиве или в моторном вагоне пассажирского или грузового поезда. В транспортном средстве преобразователь 10 питает электрический двигатель тяговой цепи. Как известно, он содержит инвертор 12, в данном случае четырехфазный инвертор и контур 14 охлаждения инвертора 12.

Инвертор выполнен с возможностью преобразования постоянного тока, поступающего, например, от контактной линии, в трехфазный ток с соответствующей реостатной функцией.

Так, он содержит входную шину 16 постоянного тока, в данном случае представляющую собой металлическую пластину, и четыре силовые проводящие перемычки 18А, 18В, 18С, 18D, каждая из которых соответствует одной фазе инвертора и реостатной функции. На своих концах эти четыре перемычки оборудованы выходной соединительной клеммой 20А, 20В, 20С, 20D.

Между шиной 16 и каждой силовой перемычкой 18А, 18В, 18С, 18D расположены четыре полупроводниковых коммутационных органа 22, установленных параллельно. Каждый из этих органов 22 представляет собой биполярный транзистор с изолированным затвором (известный под английским сокращением "IGBT" от "Insulated Gate Bipolar Transistor").

Вдоль силовых перемычек расположена пусковая плата 24, содержащая набор схем 26 для управления коммутационными органами 22, селективно соединяющими шину 16 постоянного тока с силовыми перемычками 18А, 18В, 18С, 18D. Пусковая плата 24 оборудована соединителем 27 для приема управляющих команд.

Кроме того, рядом с коммутационными органами 22 установлен и известным образом подключен емкостной фильтр 28.

Контур 14 охлаждения, схематично показанный на фиг.2, обеспечивает рассеяние тепла, выделяемого коммутационными органами 22, и поддержание температуры перехода этих коммутационных органов по существу в постоянном значении.

Контур охлаждения представляет собой контур капиллярного всасывания, не содержащий какого-либо электромеханического насоса. Охлаждающей средой является, например, метанол.

Для этого контур 14 содержит капиллярный испаритель 30А, 30В, 30С, 30D, связанный с каждой группой коммутационных органов, питающих одну и туже силовую перемычку от шины 16 постоянного тока, и прилегающий к теплообменной поверхности каждого коммутационного органа. Эти капиллярные испарители являются первыми теплообменниками, выполненными с возможностью передачи в контур 14 тепла, выделяемого коммутационными органами.

Эти капиллярные испарители 30А, 30В, 30С, 30D установлены параллельно и расположены вертикально, чтобы в их верхние части могла заходить охлаждающая текучая среда, циркулирующая в контуре 14 в жидкой фазе, и чтобы производить на своих нижних концах пар этой текучей среды.

Таким образом, охлаждающая текучая среда, циркулирующая в контуре 14, является двухфазной текучей средой, которая находится в некоторых частях контура только в виде жидкости и в других частях контура только в виде пара.

На своих верхних концах четыре капиллярных испарителя 30А, 30В, 30С, 30D соединены с одним и тем же двухфазным резервуаром 32 повышения давления охлаждающей текучей среды через четыре изолятора 34, выполненных с возможностью предупреждения возврата пара в резервуар, например, в случае отключения испарителя в результате слишком сильной подачи тепловой мощности.

Резервуар оборудован управляемым клапаном 32А дегазации, установленным в верхней части резервуара 32, а также обычно закрытым заправочным отверстием 32В.

Нижние выходы пара четырех капиллярных испарителей соединяются в трубопровод 36 передачи пара, питающий вход каскада 38 конденсации.

Этот каскад содержит главный конденсатор 40, выполненный с возможностью обеспечения теплообмена между паром, выходящим из капиллярных испарителей, и окружающей средой. Для этого конденсатор 40 содержит боковые ребра, входящие в контакт с окружающей атмосферой.

На выходе главного конденсатора 40 каскад 38 конденсации содержит теплообменник 42 вспомогательного охлаждения, выполненный с возможностью конденсации пара, который по каким-либо причинам не полностью конденсировался в главном конденсаторе.

Выход каскада 38 конденсации соединен трубопроводом 44 переноса охлаждающей текучей среды в жидком состоянии с резервуаром 32.

Резервуар 32 установлен по вертикали капиллярных испарителей 30А, 30В, 30С, 30В, при этом охлаждающую текучую среду отбирают из резервуара путем всасывания за счет разрежения и за счет гравитации для питания капиллярных испарителей.

Резервуар 32 содержит жидкую фазу, над которой находится газовый свод.

Для обеспечения регулирования температуры перехода коммутационных органов 22 резервуар 32 оборудуют средствами нагрева и охлаждения, соединенными с центральным блоком 50 управления.

Так, для обеспечения нагрева в газовый свод резервуара 32 помещают нагревательное сопротивление 52. Точно так же, для обеспечения охлаждения резервуара напротив него устанавливают вентилятор 54.

Сопротивлением 52 и вентилятором 54 управляет блок 50 управления, соединенный с датчиком 56 измерения электрической мощности, потребляемой двигателем, и потребление которой определяется, например, манипулятором ускорения железнодорожного транспортного средства, управляемым машинистом.

Точно так же, блок 50 соединен с датчиком 58 измерения температуры перехода коммутационных органов 52.

Наконец, в газовом своде резервуара 32 установлены датчик 59А давления и датчик 59В температуры, соединенные с блоком 50.

Блок 50 соединен с клапаном 32А для управления этим клапаном.

Блок 50 выполнен с возможностью применения алгоритма, схематично показанного на фиг.3.

Капиллярные испарители 30А, 30В, 30С, 30D представляют собой капиллярные насосы, в которые на входе поступает охлаждающая текучая среда в жидком состоянии и которые на выходе выдают эту среду только в паровой фазе.

Как показано на фиг.3, капиллярный испаритель образован закрытым резервуаром, за исключением своего входа и своего выхода. Он имеет форму параллелепипеда, к одной грани которого прилегают коммутационные органы 22.

Капиллярный канал 60 установлен внутри резервуара и образует в испарителе внутреннюю камеру 62 для поступления охлаждающей среды в жидком состоянии и периферическую камеру 64 для выхода охлаждающей среды в состоянии пара. Эти две камеры 62 и 64 идеально разделены капиллярным каналом, поэтому в камере 62 находится только жидкость, а в камере 64 находится только пар, причем обе фазы, жидкая и паровая, идеально разделены. Таким образом, циркуляция охлаждающей среды происходит в радиальном направлении от камеры 62 к наружной камере 64.

Каждый капиллярный испаритель обеспечивает преобразование охлаждающей текучей среды в жидком состоянии в пар под действием тепла, выделяемого коммутационными органами. Эти капиллярные испарители выполняют функцию насоса в замкнутом контуре 14.

Приведение в движение циркуляции текучей среды получают в результате повышения давления пара в капиллярных испарителях 30А, 30В, 30С, 30D. Это повышение давления пара создается на уровне менисков, где происходит полное испарение жидкости. Эти мениски образуются в капиллярном канале, где жидкость очень быстро нагревается и полностью испаряется.

Испарение на уровне менисков происходит при почти постоянной температуре. Повышение давления пропорционально поверхностному натяжению текучей среды и обратно пропорционально эквивалентному радиусу менисков.

Таким образом, расход текучей среды в каждом испарителе постоянно автоматически регулируется таким образом, чтобы на выходе каждого испарителя находился только чистый пар.

Понятно, что при таком приведении в движение охлаждающей текучей среды на уровне образующих насос капиллярных испарителей ее паровая фаза циркулирует до испарительной установки 38, где тепло рассеивается в атмосферу и происходит сжижение охлаждающей среды, которая снова всасывается за счет разрежения в резервуар 32, из которого капиллярные испарители 30A-30D всасывают охлаждающую жидкость.

Во время работы преобразователя блок 50 управления применяет алгоритм, показанный на фиг.3, обеспечивающий, в частности, регулирование температуры охлаждающей текучей среды.

На этапе 102 измеряют электрическую мощность, потребляемую железнодорожным транспортным средством, и ее изменение обнаруживают на этапе 104. Если электрическая мощность повышается, резервуар 32 нагревается от сопротивления 52 на этапе 106. Таким образом, температура испарения охлаждающей текучей среды в жидком состоянии повышается, улучшая термические характеристики в испарителях 30A-30D.

Если же, наоборот, электрическая мощность, выдаваемая преобразователем, снижается, резервуар 32 охлаждается вентилятором 54 на этапе 108 для понижения температуры испарения текучей среды в жидком состоянии в резервуаре 32, что снижает термические характеристики капиллярных испарителей.

В случае обнаружения чрезмерной температуры блок управления 50 может через датчик 58 подать команду на нагрев резервуара 32 для повышения характеристик теплового рассеяния в испарителях.

Наконец, в течение времени блок 50 проверяет чистоту среды-теплоносителя внутри резервуара. Для этого он измеряет температуру T_sat и давление P_sat в резервуаре при помощи датчиков 59А и 59В. Кроме того, при помощи формулы, выведенной путем моделирования, он вычисляет теоретическую температуру T_satth. Если теоретическая температура T_satth отличается от измеренной температуры T_sat, клапан 32А приводится в действие для дегазации, что позволяет удалить неконденсируемые остатки в газовом своде резервуара. Если T_satth равна измеренной T_sat, охлаждающая текучая среда считается чистой с определенным допуском точности и холодный контур не трогают. Этот контур позволяет дольше сохранять хорошие характеристики системы.

Для компенсации потерь охлаждающей текучей среды в контур через отверстие 32В периодически добавляют жидкость.

Описанные выше этапы осуществляют в виде замкнутого цикла.

Таким образом, понятно, что рабочей температурой контура охлаждения управляет двухфазный резервуар 32 повышения давления. Этот резервуар контролируют термически, чтобы обеспечить контроль его температуры испарения, что позволяет управлять термическими характеристиками в испарителях.

В этих условиях заданную температуру, то есть температуру перехода коммутационных органов, контролируют с достаточно высокой точностью, причем независимо от изменения мощности, влияющего на контур на уровне испарителей.

На фиг.4 показан пример цикла электрической мощности, выдаваемой электрическим преобразователем во время тягового цикла. На этой фигуре скорость транспортного средства показана пунктирной линией, а потребляемая мощность показана сплошной линией. Тяговый цикл содержит фазу ускорения, фазу сохранения скорости и фазу торможения.

На фиг.5 показана кривая температуры перехода коммутационных органов. Она показывает относительно постоянную температуру перехода, тогда как потребляемая электрическая мощность претерпевает сильные колебания.

В варианте контуром охлаждения управляют не при помощи температуры насыщения текучей среды в резервуаре 32, а при помощи давления насыщения текучей среды. В этих условиях резервуар 32 оборудуют компрессором и вентилем сообщения с атмосферой, выполненным с возможностью изменения давления газового свода в резервуаре. Этот компрессор соединен с блоком 50 управления и управляется этим блоком.

Кроме того, понятно, что вертикальное выравнивание резервуара 32 и капиллярных испарителей 30A-30D при резервуаре, установленном над капиллярными испарителями, обеспечивает удаление за счет силы тяжести возможных пузырьков пара, образующихся внутри капиллярного канала. Изоляторы 34 препятствуют прямому прохождению паровой фазы от испарителя в резервуар.

Настоящее описание представлено для случая железнодорожного транспортного средства, однако преобразователь можно использовать в устройстве любого типа и, в частности, в оборудовании для производства энергии, содержащем генератор электрической энергии и описанный выше преобразователь, или в оборудовании передачи энергии, содержащем сеть передачи энергии и описанный преобразователь.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат состоит в уменьшении габаритов и упрощении обслуживания. Преобразователь содержит силовой электрический компонент (22), выполненный с возможностью участия в преобразовании электрического тока, и замкнутый контур (14) охлаждения, содержащий двухфазную среду-теплоноситель, первый теплообменник (30А, 30В, 30С, 30D), прилегающий к указанному силовому электрическому компоненту (12), второй теплообменник (38), выполненный с возможностью удаления тепла среды-теплоносителя за пределы контура охлаждения, и средства приведения в движение циркуляции среды-теплоносителя в контуре (14) охлаждения. Первый теплообменник содержит капиллярный испаритель, содержащий капиллярный канал, выполненный с возможностью обеспечения полного испарения среды-теплоносителя, поступающей в жидком состоянии на уровне мениска, установившегося в канале и разделяющего жидкую и паровую фазы среды-теплоносителя, и с возможностью возврата среды-теплоносителя полностью в газообразном состоянии. Среда-теплоноситель циркулирует с контуре (14) охлаждения под действием давления, создаваемого на уровне границы раздела жидкость/пар в капиллярном испарителе, для образования контура капиллярного всасывания. 4 н. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Преобразователь (10) электрической мощности, содержащий:
- силовой электрический компонент (22), выполненный с возможностью участия в преобразовании электрического тока;
- замкнутый контур (14) охлаждения, содержащий:
- двухфазную среду-теплоноситель;
- первый теплообменник (30А, 30В, 30С, 30D), прилегающий к указанному силовому электрическому компоненту (12);
- второй теплообменник (38), выполненный с возможностью удаления тепла среды-теплоносителя (29) за пределы контура (14) охлаждения;
- средства (30А, 30В, 30С, 30D) приведения в движение циркуляции среды-теплоносителя в контуре (14) охлаждения;
отличающийся тем, что указанный первый теплообменник (30А, 30В, 30С, 30D), прилегающий к указанному силовому электрическому компоненту (22), содержит капиллярный испаритель (30А, 30В, 30С, 30D), содержащий капиллярный канал (60), выполненный с возможностью обеспечения полного испарения среды-теплоносителя (29), поступающей в жидком состоянии из трубопровода (44) для охлаждающей текучей среды, при этом полное испарение происходит на уровне мениска, установившегося в канале (60) и разделяющего жидкую и паровую фазы среды-теплоносителя, и с возможностью возврата среды-теплоносителя полностью в газообразном состоянии через трубопровод (36) для пара, питающий вход второго теплообменника (38), при этом среда-теплоноситель циркулирует с контуре (14) охлаждения под действием давления, создаваемого на уровне границы раздела жидкость/пар в капиллярном испарителе (30А, 30В, 30С, 30D) для образования контура капиллярного всасывания.

2. Преобразователь электрической мощности по п.1, отличающийся тем, что контур (14) не содержит механического насоса для обеспечения циркуляции среды-теплоносителя.

3. Преобразователь электрической мощности по п.1, отличающийся тем, что на входе капиллярного испарителя (30А, 30В, 30С, 30D) содержит резервуар (32) повышения давления среды-теплоносителя в жидком состоянии, и тем, что резервуар (32) установлен на уровне, превышающем уровень капиллярного испарителя (30А, 30В, 30С, 30D).

4. Преобразователь электрической мощности по п.1, отличающийся тем, что контур (14) содержит, по меньшей мере, два капиллярных испарителя (30А, 30В, 30С, 30D), расположенных в контуре (14) параллельно.

5. Преобразователь электрической мощности по п.1, отличающийся тем, что второй теплообменник, выполненный с возможностью удаления среды-теплоносителя из контура охлаждения, содержит теплообменник (38) среда-теплоноситель/ воздух.

6. Преобразователь электрической мощности по п.1, отличающийся тем, что контур (14) содержит теплообменник (42) для вспомогательного охлаждения на выходе второго теплообменника (38), выполненного с возможностью удаления среды-теплоносителя из контура охлаждения.

7. Преобразователь электрической мощности по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что содержит средства (50, 52, 54) контроля параметров давления и/или температуры охлаждающей текучей среды на входе капиллярного испарителя (30А, 30В, 30С, 30D).

8. Преобразователь электрической мощности по п.7, отличающийся тем, что средства контроля содержат регулятор (50), обеспечивающий управление давлением и/или температурой охлаждающей текучей среды на входе капиллярного испарителя в зависимости от температуры силового электрического компонента (22).

9. Преобразователь электрической мощности по п.7, отличающийся тем, что средства контроля содержат регулятор (50), обеспечивающий управление давлением и/или температурой охлаждающей текучей среды на входе капиллярного испарителя в зависимости от профиля электрической мощности, проходящей в преобразователе электрической мощности.

10. Железнодорожное транспортное средство, содержащее тяговую цепь, содержащую электрический двигатель и преобразователь (10) электрической мощности по любому из пп.1-9.

11. Оборудование для производства энергии, содержащее генератор электрической энергии и преобразователь по любому из пп.1-9.

12. Оборудование для производства энергии, содержащее сеть для передачи энергии и преобразователь по любому из пп.1-9.