具有冷却系统的变换器单元装置制造方法及图纸

公开了一种变换器阀装置，包括变换器单元、第一和第二半导体开关元件、容器和两相冷却系统，所述两相冷却系统包括被布置为与所述半导体开关元件热接触并且至少部分地蒸发介电工作流体的至少一个蒸发器。所述两相冷却系统和所述变换器单元被布置在所述容器内，并且流体返回管线被布置为接收来自所述至少一个蒸发器的两相流。在操作期间，所述变换器阀装置可以包括在所述容器与所述变换器单元之间的电临界区域，并且所述两相冷却系统被布置为生成仅包括来自由所述流体返回管线接收到的所述两相流的所述介电工作流体的气相或液相的单相流，并且将所述单相流输送通过所述电临界区域。

Converter Unit Device with Cooling System

A converter valve device is disclosed, comprising a converter unit, first and second semiconductor switching elements, a container and a two-phase cooling system comprising at least one evaporator arranged to thermally contact the semiconductor switching element and at least partially evaporate the dielectric working fluid. The two-phase cooling system and the converter unit are arranged in the container, and the fluid return pipeline is arranged to receive two-phase flow from at least one evaporator. During operation, the converter valve device may include an electrical critical region between the container and the converter unit, and the two-phase cooling system is arranged to generate a gas or liquid phase single-phase flow of the dielectric workflow body including only the two-phase flow received from the fluid return pipeline, and to transport the single-phase flow through the electrical critical region. Region.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有冷却系统的变换器单元装置
本公开涉及电力电子变换器领域。具体地，本公开涉及一种用于这种变换器的两相冷却系统。
技术介绍
模块化多电平功率变换器(MMC)，也称为链式链路变换器(CLC)，包括在变换器分支或相脚中串联的多个变换器单元或者变换器子模块，而变换器分支或相脚又可以被布置成Y形/星形、三角形和/或间接变换器拓扑。每个变换器单元都可以以半桥或全桥电路的形式包括用于存储能量的电容器和功率半导体开关，诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)装置、栅极可关断晶闸管(GTO)装置、集成门极换流晶闸管(IGCT)装置或者用于将电容器连接至具有一个或两个极性的变换器分支的MOSFET。每个变换器单元电容器的电压可以在1kV与6kV之间；而变换器分支的电压可以在10kV至几百kV的范围内。具有处理器和相应软件或现场可编程门阵列(FPGA)的MMC控制器可以负责借助于脉冲宽度调制方案来控制变换器单元并且操作功率半导体开关。MMC可以用于电力传输和分配中的多种应用，包括高压直流(HVDC)应用以及静态VAR补偿器(静止同步补偿器)和/或柔性AC输电系统(FACTS)应用。后者可以包括用于静态功率因数校正以及用于基于产生或吸收无功功率的电压质量和稳定性目的的装置。在MMC变换器单元中，包括功率半导体开关的电力电子模块代表功率损耗的主要来源，而在单元电容器中也可能会生成一些热量。为了变换器部件的正常操作和长寿命，可能需要充分冷却电力电子模块和单元电容器。按照惯例，功率半导体开关元件通过强制水流冷却，而单元电容器通过空气的自由对流冷却，电容器容器通过所有表面暴露于周围的循环空气。由于每单位体积的电容器加热强度受到限制，并且尽管容器填充材料的导热性相当低，但是所有电容器容器表面上的空气冷却可以确保热路径的最小长度，并且可以证明足以防止电容器中不期望的热点温度水平，这可能会显著影响电容器的寿命周期。然而，随着覆盖区要求的增加，发热部件被包装地更紧密，加热总功率密度增大，并且可能必须设想替代的冷却概念。专利EP2277365B1公开了一种用于冷却被布置在多个模块上的功率硅装置的高功率驱动器堆叠系统，这多个模块又堆叠在共同的支撑结构中。介电流体冷却系统利用可蒸发的介电制冷剂并且包括多个流体导管、冷凝器、泵和放置在至少一个模块上的蒸发器。
技术实现思路
因此，本公开的目的是提供以紧凑设计布置的变换器单元的充分冷却。该目的通过根据独立权利要求的变换器阀装置实现。其他实施例由从属权利要求限定。在彼此重叠或相邻布置的堆叠或连续的变换器单元中，电力电子模块和单元电容器都面向相邻变换器单元的相应部件，这需要在单元间具有足够的电、电介质和短路设计措施。随着覆盖区要求的增加，发热部件被包装地更紧密，单元电容器附近可用的空间(特别是电力电子模块与电容器之间可用的空间)变得稀缺。因此，在紧凑的变换器设计中，环境空气在堆叠方向上的循环可能被阻碍或减小到阻止单元电容器经由垂直于堆叠方向的电容器表面冷却的程度。此处，经由专用的热连接将多余的冷却功率从电力电子模块的强制对流沸腾冷却传递到单元电容器的冷却系统确保后者的充分冷却。根据本公开的一个方面，提供了一种用于多电平功率变换器的变换器单元的强制对流沸腾两相冷却系统。变换器单元可以包括用于存储能量的单元电容器以及将单元电容器连接至单元端子的第一半导体开关元件和第二半导体开关元件。冷却系统可以包括至少一个蒸发器，这至少一个蒸发器被布置为与半导体开关元件中的至少一个热接触并且适于蒸发介电工作或冷却流体或者制冷剂，至少一个蒸发器在包括用于循环流体的泵和中心冷凝器的闭合工作流体回路中流体连接。冷却系统可以适于将单元电容器热连接至工作流体的流体供给或返回管线，或者将热量从单元电容器传递到工作流体的流体供给或返回管线。在一个实施例中，冷却系统可以包括仅一个蒸发器，并且仅一个蒸发器可以被布置为与第一和第二半导体开关元件热接触。在其他实施例中，冷却系统可以包括多于一个蒸发器，例如两个或三个蒸发器或更多，并且蒸发器可以被布置为使得每个半导体开关元件都与至少一个蒸发器热接触。如果例如多个蒸发器和半导体开关元件以堆叠方式布置，则多个蒸发器中的一个或多个蒸发器可以与第一和第二半导体开关中的仅一个半导体开关热接触。在该示例和其他示例中，多个蒸发器中的一个或多个可以与第一和第二半导体开关热接触。在一些示例中，没有蒸发器可以与多于一个半导体开关元件热接触。如果多于一个蒸发器被包括在冷却系统中，则一些或所有蒸发器可以在闭合的工作流体回路中流体并联。在一个实施例中，冷却系统可以包括具有高导热性的专用热熔体或路径或其他连接，诸如冷指或热管，以将单元电容器热连接至向至少一个蒸发器提供冷凝工作流体并且从至少一个蒸发器返回经蒸发的工作流体的工作流体供给或返回管线。在一个实施例中，单元电容器的电容器端子可以通过电容器套管或电容器连接被电连接至第一半导体开关元件，并且热熔体可以将电容器连接与流体供给或返回管线连接。在这种情况下，热熔体可以在不需要其自身的套管的情况下导电。在本公开的替代实施例中，可以提供电绝缘热熔体用于将流体供给或返回管线热连接至单元电容器的表面或外壳。本公开的一个方面还涉及用于HVDC和FACTS应用的模块化多电平功率变换器(MMC)变换器装置，其中变换器阀包括多个串联的变换器单元，每个变换器单元分别包括用于存储能量的单元电容器和将单元电容器连接至单元端子的两个半导体开关元件，并且具有冷却系统。冷却系统可以包括闭合的工作流体回路，其包括用于冷凝经蒸发的工作流体的冷凝器和用于循环流体的泵。针对每个变换器单元，冷却系统还可以包括至少一个蒸发器，这至少一个蒸发器被布置为与单元的半导体开关热接触，至少一个蒸发器适于接收冷凝的介电工作流体并且返回经蒸发的工作流体。针对每个变换器单元，冷却系统可以包括具有高导热性的专用热熔体，该专用热熔体适于将单元电容器热连接至向至少一个蒸发器提供冷凝工作流体并且从至少一个蒸发器返回经蒸发的工作流体的流体供给或返回管线，或者将热量从单元电容器传递到流体供给或返回管线。如果多于一个蒸发器被包括在用于变换器单元的冷却系统中，则蒸发器可以流体方式被并联。在此处限定的装置中，变换器分支或相脚可以包括一个或多个变换器阀，每个变换器阀具有一个独立的冷却回路。在一个实施例中，可以包括多于一个蒸发器，并且在连接至单独蒸发器的管段中变换器装置的流体供给管线可以具有流体限制节流元件，以平衡不同蒸发器之间的工作流体的流动。具体地，在非水平地(具体地，竖直地)堆叠变换器单元的情况下，这些节流元件可以考虑重力。本公开还涉及一种变换器阀装置，该变换器阀装置包括至少一个变换器单元、第一半导体开关元件和第二半导体开关元件、容器和两相冷却系统。两相冷却系统可以包括至少一个蒸发器，该至少一个蒸发器被布置为与第一半导体开关元件和第二半导体开关元件中的至少一个热接触，并且适于至少部分地使介电工作流体蒸发。两相冷却系统可以包括用于从至少一个蒸发器返回介电工作流体的流体返回管线。至少一个变换器单元和两相冷却系统可以被布置在容器内。在操作期间，变换器阀装置可以包括在容器与至少一个变换器单元之间的至少一个电临界区域。该至少一个电临界区域可以包括受容器的壁本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种变换器阀装置，包括至少一个变换器单元(2)、第一半导体开关元件(14)和第二半导体开关元件(14)、容器(20)和两相冷却系统，所述两相冷却系统包括：至少一个蒸发器(15)，被布置为与所述第一半导体开关元件(14)和所述第二半导体开关元件中的至少一个热接触，其中所述至少一个蒸发器适于至少部分地蒸发介电工作流体；流体返回管线(5)，被布置为接收包括来自所述至少一个蒸发器的所述介电工作流体的气相和液相的两相流，并且在所述流体返回管线的第一端处至少输出包括所述两相流的至少一部分的中间流，其中所述至少一个变换器单元和所述两相冷却系统被布置在所述容器内，其中在操作期间，所述变换器阀装置包括在所述容器与所述至少一个变换器单元之间的至少一个电临界区域(21a；21b)，并且其中所述两相冷却系统被布置为生成仅包括来自所述中间流的所述介电工作流体的气相或液相的至少一个单相流，并且将所述至少一个单相流输送通过所述至少一个电临界区域。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种变换器阀装置，包括至少一个变换器单元(2)、第一半导体开关元件(14)和第二半导体开关元件(14)、容器(20)和两相冷却系统，所述两相冷却系统包括：至少一个蒸发器(15)，被布置为与所述第一半导体开关元件(14)和所述第二半导体开关元件中的至少一个热接触，其中所述至少一个蒸发器适于至少部分地蒸发介电工作流体；流体返回管线(5)，被布置为接收包括来自所述至少一个蒸发器的所述介电工作流体的气相和液相的两相流，并且在所述流体返回管线的第一端处至少输出包括所述两相流的至少一部分的中间流，其中所述至少一个变换器单元和所述两相冷却系统被布置在所述容器内，其中在操作期间，所述变换器阀装置包括在所述容器与所述至少一个变换器单元之间的至少一个电临界区域(21a；21b)，并且其中所述两相冷却系统被布置为生成仅包括来自所述中间流的所述介电工作流体的气相或液相的至少一个单相流，并且将所述至少一个单相流输送通过所述至少一个电临界区域。2.根据权利要求1所述的变换器阀装置，其中所述容器包括至少一个出口(22a；22b)，其中所述两相冷却系统被布置为通过所述至少一个电临界区域将所述至少一个单相流输送到所述至少一个出口。3.根据权利要求2所述的变换器阀装置，其中所述至少一个出口中的至少一个出口是液体出口(22a)，其中所述至少一个单相流中的至少一个单相流是液体流，并且其中所述两相冷却系统被布置为通过所述至少一个电临界区域中的至少一个电临界区域将所述液体流输送到所述液体出口。4.根据权利要求2或3所述的变换器阀装置，其中所述至少一个出口中的至少一个出口是气体出口(22b)，其中所述至少一个单相流中的至少一个单相流是气体流，并且其中所述两相冷却系统被布置为通过所述至少一个电临界区域中的至少一个电临界区域将所述气体流输送到所述气体出口。5.根据权利要求1至4中任一项所述的变换器阀装置，其中所述两相冷却系统包括分相器(24)，所述分相器(24)被布置为接收来自所述流体返回管线的所述中间流，并且分离来自所述中间流的所述介电工作流体的所述液相的至少一部分，以输出仅包括所述介电工作流体的液相的第二中间流。6.根据权利要求1至5中任一...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·赫梅勒，L·考夫曼，O·索罗古本科，R·贝尔·弗德希拉，T·R·埃里克松，
申请(专利权)人：ABB瑞士股份有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH