Высоковольтный преобразовательный модуль с системой охлаждения Российский патент 2024 года по МПК H05K7/20 H02B1/56 H01F27/08 

Изобретение относится к области защиты от перегрева и попадания токопроводящей пыли электротехнического преобразовательного оборудования, предназначенного для бесперебойного и резервного электропитания электродуговых печей, не допускающих перерыва в электроснабжении.

Из уровня техники известно изобретение «Модульный сухой трансформатор наружной установки» из патента ЕА 034945 с датой публикации 09.04.2020, относящееся к области применения электротехники в преобразовании, передаче, распределении и транспортировке электроэнергии и может быть использовано при изготовлении сухих трансформаторов для наружной установки без применения изоляторов, установленных на корпусе трансформатора, из твердых изоляционных материалов. В патенте раскрыты сведения об изготовлении каркасов обмоток из полиамидного полимера с вертикальными ребрами жесткости со стороны магнитопровода, образующие каналы для циркуляции воздуха, обеспечивают охлаждение обмоток. Модульный принцип производства и сборки сухих трансформаторов позволяет при необходимости перегружать на 50% путем установки вентилятора для охлаждения с запуском от термодатчика. Таким образом, данным изобретение реализуется воздушное охлаждение сухого трансформатора.

Известно устройство естественного воздушного охлаждения электротехнического оборудования из патента РФ 114399 с датой публикации 20.03.2012, относящееся к электротехнике, в частности к устройствам охлаждения электротехнического оборудования, расположенного в одном шкафу и охлаждаемого конвективным потоком воздуха. Предложенная конструкция устройства естественного воздушного охлаждения улучшает охлаждение силового электротехнического оборудования, обеспечивает условия для его надежной работы. Кроме того, устройство дополнительно обладает свойством саморегулирования отвода тепла, что особенно важно при технологических перегрузках, например, преобразовательного агрегата.

Устройство располагается в шкафу с отсеками и содержит основной воздушный тракт, образованный отверстиями в стенке шкафа для входа воздуха в нижний отсек и отверстием для выхода нагретого воздуха в верхней части шкафа, перегородкой между отсеками, расположенной с некоторым уклоном, и вертикальным экраном, установленными над нижним отсеком. Устройство снабжено дополнительным воздушным трактом, образованным отверстиями в стенке шкафа для входа воздуха в верхний отсек и направляющим щитом, установленным с некоторым уклоном, над вертикальным экраном и на некотором расстоянии, образуя выходное отверстие для соединения дополнительного и основного воздушных трактов. Ширина перегородки между отсеками и ширина направляющего щита меньше ширины боковой стенки шкафа на величину основного воздушного тракта. Нижний край вертикального экрана соединен с верхним краем перегородки.

Известно устройство системы охлаждения шкафа электротехнического оборудования, основанное на двухпотоковой системе охлаждения, из патента РФ 145655 с датой публикации 27.09.2014, относящееся к области электротехники, в частности к конструктивным элементам общего назначения для различных электрических устройств и охлаждению потоками воздуха, в открытом цикле и может быть применена для построения различных силовых электротехнических устройств. Устройство создано для улучшения условий охлаждения силового электротехнического оборудования, а также в поддержании температуры элементов шкафа не более 60°С.

Известна система охлаждения приборных и сетевых шкафов из патента ЕР 1614333 с датой публикации 04.10.2006, которая исходит из замкнутого контура охлаждающего воздуха в воздухонепроницаемом приборном шкафу, при этом применяется воздушно-водяной теплообменник. Воздушно-водяной теплообменник установлен в нижней части шкафа и присоединен предпочтительно к системе холодного водоснабжения. Система охлаждения содержит воздуховод с воздушными путями одинаковой длины и, тем самым, одинаковыми сопротивлениями потока для отдельных электронных модулей во внутреннем пространстве шкафа (принцип Тихельманна). Таким образом, к каждому из отдельных модулей, расположенных друг над другом и/или рядом друг с другом, может подаваться приточный воздух единой температуры. Электрический шкаф содержит корпус электрического распределительного шкафа, который снабжен независимой зоной установки преобразователя частоты, содержащей устройство монтажа частотного преобразователя, вентилятор теплового излучения и электрический провод, а также отверстия, облегчающие проводку, причем устройство монтажа частотного преобразователя расположено в нижней части шкафа, опорные точки устройства монтажа представляют собой зоны установки преобразователя частоты, а вентилятор теплового излучения расположен над зоной установки преобразователя частоты.

Известно устройство охлаждения шкафа станции управления из патента РФ 192376 с датой публикации 16.09.2019, относящееся к области электротехники, в частности к конструктивному выполнению шкафа станции управления, направленному на охлаждение и вентиляцию работающего оборудования.

Устройство охлаждения шкафа станции управления выполнено в корпусе трехстороннего обслуживания, который представляет собой вертикально ориентированный прямоугольный параллелепипед, обеспечивающий возможность размещения средств теплообмена, фильтрации воздуха, управления, индикации, элементов силовой аппаратуры и их подключения, а также имеющий отсек силового подключения и отсек телеметрии. При этом устройство содержит два контура принудительного охлаждения, ограниченных основными элементами конструкции шкафа, первый из которых выполнен с возможностью взаимодействия с внешней средой и вторым контуром. Второй контур принудительного охлаждения, выполненный без возможности взаимодействия с внешней средой, включает в себя герметичный отсек силовых электронных компонентов, а также отсек подключения и отсек телеметрии, связь с которыми осуществляется через окна, выполненные в отсеке силовых электронных компонентов шкафа.

Таким образом, ограничение контура, не взаимодействующего с внешней средой, отсеками силового подключения и телеметрии позволяет повысить вероятность безотказной работы устройства за счет исключения из устройства конструктивных элементов, создающих воздуховоды, что позволяет осуществлять охлаждение герметичного отсека силовых электронных компонентов и отсека силового подключения единым воздушным потоком. Испытания данной конструкции показали соответствие степени пылевлагозащищенности IP54. Кроме того, установлено соответствие разработанного устройства требованиям при работе в условиях с температурой до +50°С.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является модуль силовой выпрямительный», известным из патента РФ 2593461 с датой публикации 10.08.2016, который направлен на обеспечение надежности при эксплуатации в агрессивных, запыленных и влажных средах за счет повышения класса пылевлагозащиты выпрямителей, а также на расширение температурного диапазона при эксплуатации при снижении массогабаритных показателей выпрямителей.

Модуль силовой выпрямительный обеспечивает 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 выпрямительные, дроссели, входящие в выходной LC-фильтр, выходные шины и систему охлаждения с вентилятором, в который введены новые отличительные признаки. Система охлаждения содержит теплообменную поверхность, образованную основанием, стенками и крышкой корпуса, и вентиляторы внутреннего и внешнего охлаждения.

Недостатком прототипа является ограничение по мощности преобразовательного модуля из-за применения системы охлаждения «воздух-воздух», что не позволяет охлаждать преобразователи большой мощности. При этом отсутствует двухконтурная система жидкостного охлаждения и внутренний воздухоохладитель, вследствие этого данный модуль имеет менее эффективную систему охлаждения, которая не сможет охлаждать преобразователи большой мощности.

Техническими результатами заявляемого изобретения как компоновочного технического решения являются:

- обеспечение охлаждения силового преобразовательного оборудования мощностью свыше 1 МВт при одновременном обеспечении компактности размещения оборудования без увеличения габаритных размеров;

- обеспечение надежности функционирования высоковольтного преобразовательного оборудования в герметичном модуле при температуре воздуха от +33°С до +50°С;

- отсутствие шин «трансформатор-выпрямитель», что снижает потери электроэнергии, повышает КПД преобразователя.

Технические результаты обеспечиваются за счет реализации и применения высоковольтного преобразовательного модуля с системой охлаждения, содержащего герметичный сборно-разборный корпус с основанием, крышей и боковыми стенами, при этом стены и крыша корпуса одновременно являются радиатором, на основании смонтированы силовой трансформатор сухого типа с датчиками температуры, над которым установлен уравнительный реактор, и тиристорный выпрямитель. Система охлаждения включает в себя воздушное и жидкостное охлаждение, воздушное охлаждение выполнено посредством внутреннего воздухоохладителя, установленного на стене корпуса и снабженного вентиляторами, выполненного с возможностью обдува силового трансформатора и тиристорного выпрямителя, жидкостное охлаждение выполнено в виде системы жидкостного охлаждения, содержащей внешний и внутренний контуры. При этом внутренний контур жидкостного охлаждения содержит две ветви, одна из которых подведена в тиристорный выпрямитель посредством сформированных каналов в алюминиевых шинах самого тиристорного выпрямителя, вторая - во внутренний воздухоохладитель. Преобразовательный модуль содержит теплообменный агрегат, выполненный с возможностью отвода тепла от внутреннего контура жидкостного охлаждения к внешнему. На выходе преобразовательного модуля установлен блок стабилизации формы тока тиристорного выпрямителя.

Применение системы охлаждения, сочетающей воздушное и жидкостное охлаждение позволило снизить температуру преобразовательного оборудования мощностью свыше 1 МВт в процессе работы при температуре воздуха от +33°С до +50°С, при одновременной герметизации корпуса для пылевлагозащиты модуля.

На фигурах 1 и 2 приведен общий вид высоковольтного преобразовательного модуля с системой охлаждения в корпусе.

На фиг. 3 приведена структурная схема высоковольтного преобразовательного модуля с системой охлаждения без корпуса.

На фиг. 4 приведена схема распределения потока воздуха внутри высоковольтного преобразовательного модуля с системой охлаждения.

Высоковольтный преобразовательный модуль с системой охлаждения содержит герметичный сборно-разборный корпус с основанием 1, крышей 2 и боковыми стенами 3, при этом стены 3 и крыша 2 корпуса одновременно являются радиатором. На основании 1 смонтированы силовой трансформатор 4 сухого типа с датчиком температуры, над которым установлен уравнительный реактор 5, и тиристорный выпрямитель 6. Уравнительный реактор 5 выполняет роль силового элемента и выравнивает напряжение. Система охлаждения включает в себя воздушное и жидкостное охлаждение. Воздушное охлаждение выполнено посредством внутреннего воздухоохладителя 7, установленного на стене 3 корпуса и снабженного вентиляторами 8, выполненного с возможностью обдува силового трансформатора 4 и тиристорного выпрямителя 6. Жидкостное охлаждение выполнено в виде системы жидкостного охлаждения по схеме «вода-вода», содержащей внешний (техническая вода) и внутренний (дистиллированная вода, обеспечивающая низкую электрическую проводимость теплоносителя, который охлаждает преобразовательное оборудование) контуры. При этом внутренний контур жидкостного охлаждения содержит две ветви, одна из которых подведена в тиристорный выпрямитель 6 посредством сформированных каналов в алюминиевых шинах самого тиристорного выпрямителя 6, вторая - во внутренний воздухоохладитель 7. Преобразовательный модуль содержит теплообменный агрегат 9, выполненный с возможностью отвода тепла от внутреннего контура к внешнему. На выходе преобразовательного модуля установлен блок стабилизации 10 формы тока тиристорного выпрямителя 6.

Заявляемый высоковольтный преобразовательный модуль с системой охлаждения работает следующим образом.

Охлаждение преобразовательного оборудования обеспечивает двухконтурная система жидкостного охлаждения. Внешний контур - техническая вода, внутренний контур - дистиллированная вода.

Теплообменный агрегат 9 выполнен с возможностью отвода тепла от внутреннего контура к внешнему, тем самым осуществляется охлаждение дистиллированной воды. Охлажденная дистиллированная вода поступает в патрубок 11 входа дистиллированной воды во внутренний контур системы жидкостного охлаждения.

Внутренний контур состоит из двух ветвей.

Первая ветвь подведена в тиристорный выпрямитель 6, основу которого составляют алюминиевые профили, внутри профилей расположены каналы, по которым циркулирует дистиллированная вода, что позволяет отводить тепло от тиристорного выпрямителя 6 и зоны его установки.

Вторая ветвь. В процессе работы преобразовательного оборудования, сопровождающейся выделением тепла (теплопотерь), воздухоохладитель 7 осуществляет обдув внутреннего пространства высоковольтного преобразовательного модуля, обеспечивая перемещение воздуха во внутреннем пространстве корпуса. Воздух от воздухоохладителя 7 проходит влево и вниз согласно фигуре 3, забирая тепло с силового трансформатора 4 сухого типа, уравнительного реактора 5 и тиристорного выпрямителя 6. Вместе с тем, циркулирующий воздух отдает часть тепла наружу через стены 3 и крышу 2 корпуса, выполняющие функцию радиатора. При этом вентиляторы 12 силового сухого трансформатора 4 обеспечивают циркуляцию воздуха через обмотки 13 сухого трансформатора 4, что улучшает условия теплопередачи от нагревающихся при работе элементов к стенам корпуса 3 и крыше 2, а также внутреннему воздухоохладителю 7 и предотвращает возникновение зон локального перегрева.

Нагретая дистиллированная вода поступает в патрубок 14 выхода дистиллированной воды из внутреннего контура системы жидкостного охлаждения.

На выходе преобразовательного модуля подключен блок стабилизации 10 формы тока тиристорного выпрямителя 6, который при больших углах управления позволяет исключить режим прерывистых токов, что обеспечивает стабильность работы потребителей, в частности обеспечивает возможность ведения технологии усадочной раковины при плавке в электродуговой печи во избежание обрыва дуги. При этом достигается дополнительный технический результат, выраженный в исключении необходимости использования регулятора напряжения под нагрузкой (РПН) трансформатора в заявляемом изобретении.

Размещение силового трансформатора сухого типа, над которым установлен уравнительный реактор, и тиристорного выпрямителя обеспечивает компактность размещения оборудования без увеличения габаритных размеров модуля, а также отсутствие применения шин «трансформатор-выпрямитель», что снижает потери электроэнергии, повышает КПД высоковольтного преобразовательного модуля.

Изобретение относится к электротехнике. Техническим результатом является обеспечение охлаждения силового преобразовательного оборудования мощностью свыше 1 МВт, а также снижение потерь электроэнергии, повышение КПД преобразователя. Высоковольтный преобразовательный модуль с системой охлаждения содержит герметичный сборно-разборный корпус с основанием, крышей и боковыми стенами. При этом стены и крыша корпуса одновременно являются радиатором. На основании смонтированы силовой трансформатор сухого типа с датчиком температуры, над которым установлен уравнительный реактор, и тиристорный выпрямитель. Система охлаждения включает в себя воздушное и жидкостное охлаждение. Воздушное охлаждение выполнено посредством наличия внутреннего воздухоохладителя, установленного на стене корпуса и снабженного вентиляторами, выполненного с возможностью обдува силового трансформатора и тиристорного выпрямителя. Жидкостное охлаждение выполнено в виде системы жидкостного охлаждения, содержащей внешний и внутренний контуры. Внутренний контур жидкостного охлаждения содержит две ветви, одна из которых подведена в тиристорный выпрямитель посредством сформированных каналов в алюминиевых шинах самого тиристорного выпрямителя, вторая - во внутренний воздухоохладитель. Преобразовательный модуль содержит теплообменный агрегат, выполненный с возможностью отвода тепла от внутреннего контура к внешнему. На выходе преобразовательного модуля установлен блок стабилизации формы тока тиристорного выпрямителя. 4 ил.

Высоковольтный преобразовательный модуль с системой охлаждения, содержащий герметичный сборно-разборный корпус с основанием, крышей и боковыми стенами, при этом стены и крыша корпуса одновременно являются радиатором, на основании смонтированы силовой трансформатор сухого типа с датчиком температуры, над которым размещен уравнительный реактор, и тиристорный выпрямитель, система охлаждения включает в себя воздушное и жидкостное охлаждение, воздушное охлаждение выполнено посредством наличия внутреннего воздухоохладителя, установленного на стене корпуса и снабженного вентиляторами, выполненного с возможностью обдува силового трансформатора и тиристорного выпрямителя, жидкостное охлаждение выполнено в виде системы жидкостного охлаждения, содержащей внешний и внутренний контуры, при этом внутренний контур жидкостного охлаждения содержит две ветви, одна из которых подведена в тиристорный выпрямитель посредством сформированных каналов в алюминиевых шинах самого тиристорного выпрямителя, вторая - во внутренний воздухоохладитель, кроме того, преобразовательный модуль содержит теплообменный агрегат, выполненный с возможностью отвода тепла от внутреннего контура к внешнему, на выходе преобразовательного модуля установлен блок стабилизации формы тока тиристорного выпрямителя.