一种集中冷却式变流器制造技术

一种集中冷却式变流器，其电抗器、电容器和功率单元设置在机柜中。冷却器、冷板蒸发器、气液分离器、冷凝器及联通管路也设置于机柜内。电抗器和电容器置于冷却器内。功率单元由至少1个功率半导体器件及控制电路板组成；冷板蒸发器安装在功率单元内，功率半导体器件紧固于冷板蒸发器表面，功率半导体器件的发热面与冷板蒸发器紧密接触。冷凝器置于变流器柜体内的上部，位置高于冷板蒸发器、冷却器和气液分离器；冷板蒸发器的出气接头和进液接头通过管路穿出功率单元；冷板蒸发器和冷却器的出气接头并联到气路管路，进液接头并联到液路管路，气体管路和液体管与气液分离器连通，气液分离器与冷凝器通过管路连通，形成密闭回路，回路充有冷却液体。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及大功率变流器领域，具体说是一种集中冷却式变流器系统。
技术介绍
随着风电全功率变流技术、交流变频调速技术等的日益广泛应用发展，船舶、海上风电领域应用越来越多，单机容量不断提升，功率密度要求越来越高变流器的紧凑型和可靠性问题对冷却技术提出了更高要求。目前变流器最常用的冷却技术是空气冷却或者水冷方法，空气冷却方法结构简单，但冷却效率较低，体积和噪声较大，适于低功率设备，已经难于适应MW以上的技术发展要求，水冷可以达到目前的冷却要求，但水冷技术采用强迫水循环结构，冷却介质必须采用去离子水并须配备循环泵、膨胀阀、水去离子处理设备等，水处理和循环系统需要一个单独约重几十甚至上百公斤的柜体，体积重量较大成本增高。而且一旦漏水，会带来安全隐患。因此，开发和选择新型高效散热技术对变流设备进行冷却，是保证装置可靠性和提高功率体积密度的一个重要措施，以满足海上风电、船舶等特殊环境的小体积高功率密度的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的不足之处，提供一种集中式冷却变流器系统。其目的是在有限空间内，实现一个低成本小体积高功率密度的变流器，满足行业不断提升的高功率密度的需求。本专利技术集中冷却式变流器系统采用的技术方案如下：所述集中冷却式变流器，包括机柜、电气元件、冷却器、冷板蒸发器、气液分离器和冷凝器及联通管路。实现交直流变换的电器元件：电抗器、电容器、功率单元设置在机柜中，以及实现冷却功能的冷却器、冷板蒸发器、气液分离器和冷凝器及联通管路也设置于机柜内。所述的电抗器和电容器置于冷却器内。所述功率单元由至少1个功率半导体器件及控制电路板组成，所述冷板蒸发器安装在功率单元内，一个或多个功率半导体器件紧固于冷板蒸发器表面，功率半导体器件的发热面和冷板蒸发器紧密接触，实现有限空间内高功率半导体器件的部署。所述冷凝器置于变流器柜体内的上部，位置高于冷板蒸发器、冷却器和气液分离器。冷板蒸发器的出气接头、进液接头通过管路穿出功率单元。冷板蒸发器和冷却器的出气接头并联到气路管路，进液接头并联到液路管路，气体管路和液体管与气液分离器连通，气液分
离器与冷凝器通过管路连通，形成密闭回路，回路内充有低沸点的绝缘冷却液体。气液分离器位置高于冷却器和冷板蒸发器，低于冷凝器，冷板蒸发器位置不低于冷却器。所述冷却器为由不锈钢或合金铝等金属材质制成的矩形空腔体。冷却器具有至少1个出气接头、至少1个进液接头和至少2个密封铜接头。出气接头位于冷却器上部最高位置，进液接头位于冷却器底部，电容器或电抗器通过密封铜接头与外部功率半导体器件的输入铜排电连接，密封铜接头既起到电连接作用又可防止冷却液体从冷却器中泄露。冷却器中充有冷却液体，电抗器或电容置于冷却器内，浸没于冷却液体中。冷却液不但吸收电抗器或电容器产生的热量，同时通过和冷却器金属壁面的热传导吸收周围高温环境的温度，不需要像水冷方式的变流器增加额外的水冷散热器和风扇冷却环境温度，节约了机柜空间。所述冷却液体为绝缘液体，一个标准大气压下沸点在40～55℃，体积电阻率大于107Ωm，可以与电器元件带点部位直接接触，冷却液体直接吸收电抗器或电容等电气元件产生的热量，起到降温作用，无需额外介质去离子处理设备，提高了功率体积密度。所述冷板蒸发器为采用铝合金或铜制的空心体，内部设有流道，冷板蒸发器上部有一个或多个出气接头，与气体管路联通，冷板蒸发器下部有一个或多个进液接头，与液体管路联通。所述气液分离器的位置高于冷板蒸发器和冷却器，低于冷凝器。气液分离器有四个接头，液体接头位于气液分离器最底部，与液体管路联通，回液接头位于气液分离器下部，位置低于气液管接头，气液接头位于气液分离器中部与气体管路联通，位置低于气接头，气接头位于最顶部，与冷凝器进气接头联通。由于冷板蒸发器和冷却器中剧烈沸腾，气管中会夹有液体，一是增加管道阻力二是影响冷凝器的换热效率，气液分离器可以将气体管道中气液分离，使得进入冷凝器的完全是气体，多余的液体通过气液分离器直接流回液体管路，提高冷凝器冷却效率。所述冷凝器为由不锈钢或铝合金等金属材质制成的矩形或圆柱形空腔体，优选与机柜顶部设计为一体，即冷凝器的上部外壳与机柜共面，采用循环冷却水制冷，冷凝器具有至少1个出液接头和至少1个进气接头，1对进出水接头，出液接头位于冷凝器最底部，进气接头的位置高于出液接头。所述机柜内至少设置有2个电抗器、1个电容器和3个功率单元，以及3个冷却器、3个冷板蒸发器、1个气液分离器和1个冷凝器。2个电抗器置于第一冷却器中，电容器置于第二冷却器中。装有电抗器的第一冷却器位于机柜底部，装有电容器的第二冷却器位于机柜中部，3个功率单元固定于装有电容器的第二冷却器的外表面。3个冷板蒸发器分别置于3个功率单元内。功率单元由至少1个功率半导体器件及控制电路板组成。一个或多个功率半
导体器件紧固于冷板蒸发器表面，功率半导体器件的发热面和冷板蒸发器紧密接触。气液分离器的位置高于冷却器、冷板蒸发器的位置低于冷凝器。3个冷板蒸发器的出气接头、进液接头通过管路穿过3个功率单元。3个冷板蒸发器的出气接头和3个冷却器的出气接头并联连接气体管路，与气体管路联通；3个冷板蒸发器的进液接头和3个冷却器的进液接头并联连接到液体管路，与液体管路联通。3个冷板蒸发器和3个冷却器通过气体管路和液体管路与气液分离器连通，气液分离器与冷凝器连通。实现交直流变换运行时，在机柜内，电抗器、电容器和功率半导体器件产生的热量传递给冷却液体，冷却液体气化上升到上方的冷凝器，冷凝变为液体回流到冷却器和冷板散热器内，实现该高功率密度变流器的相变冷却液体自循环过程。电抗器、电容器置于冷却器内，功率半导体器件紧固于冷板蒸发器表面，所产生的热量通过冷却液集中传输到冷凝器中散热，有利于热源的集中布置，提高变流器功率体积密度，无附加柜体及其他辅助设备，降低了噪声和成本。本专利技术的集中式冷却变流器与现有技术相比具有的有效效果是：利用液体相变换热原理形成自循环密闭结构，冷却液为绝缘冷却液体，无需泵类等辅助处理设备，实现有限空间内发热电气部件的高密度部署，并解决高功率密度电能变换带来的散热和噪声问题；自循环系统运行压力基本在在0Pa附近，即冷却系统正常工作在0～105Pa之间，工作压力较低，系统不存在爆炸的危险，常规水冷工作压力再0.2MPA以上；另外将众多分散发热源产生热量集中传输并散热，实现大功率变流器的全封闭柜体运行，适应海上、船舶等潮湿恶劣环境条件；附图说明图1本专利技术实施例结构示意图；图2a功率单元各部件位置结构图；图2b冷板蒸发器与功率器件位置示意图；图3a第一冷却器外观结构意图；图3b电抗器与第一冷却器位置关系示意图；图中：1冷凝器、2气液分离器、3气体管路、4冷板蒸发器、5第一冷却器、5’第二冷却器、7冷却液体、6液体管路、8电抗器、9功率单元、10电容器、11机柜、12进出水接头、21气液接头、22液接头、23回液接头、24气接头、91、控制电路板、92功率半导体器件、41冷板蒸发器出气接头、42冷板蒸发器进液接头、43母排、51冷却器出气接头、52冷却器进液接头、53密封铜接头。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式进一步说明本专利技术。图1所示为本专利技术的一个实施例：风力发电机用背靠背结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集中冷却式变流器，其特征在于：所述集中冷却式变流器包括机柜、电气元件、冷却器、冷板蒸发器、气液分离器、冷凝器及联通管路；实现交直流变换的电器元件：电抗器、电容器和功率单元设置在机柜中；实现冷却功能的冷却器、冷板蒸发器、气液分离器、冷凝器及联通管路也设置于机柜内；所述电抗器和电容器置于冷却器内；所述功率单元由至少1个功率半导体器件及控制电路板组成；所述冷板蒸发器安装在功率单元内，功率半导体器件紧固于冷板蒸发器表面，功率半导体器件的发热面与冷板蒸发器紧密接触；所述的冷凝器置于变流器柜体内的上部，位置高于冷板蒸发器、冷却器和气液分离器；冷板蒸发器的出气接头和进液接头通过管路穿出功率单元；冷板蒸发器和冷却器的出气接头并联到气路管路，进液接头并联到液路管路，气体管路和液体管与气液分离器连通，气液分离器与冷凝器通过管路连通，形成密闭回路，回路内充有冷却液体。

【技术特征摘要】
1.一种集中冷却式变流器，其特征在于：所述集中冷却式变流器包括机柜、电气元件、冷却器、冷板蒸发器、气液分离器、冷凝器及联通管路；实现交直流变换的电器元件：电抗器、电容器和功率单元设置在机柜中；实现冷却功能的冷却器、冷板蒸发器、气液分离器、冷凝器及联通管路也设置于机柜内；所述电抗器和电容器置于冷却器内；所述功率单元由至少1个功率半导体器件及控制电路板组成；所述冷板蒸发器安装在功率单元内，功率半导体器件紧固于冷板蒸发器表面，功率半导体器件的发热面与冷板蒸发器紧密接触；所述的冷凝器置于变流器柜体内的上部，位置高于冷板蒸发器、冷却器和气液分离器；冷板蒸发器的出气接头和进液接头通过管路穿出功率单元；冷板蒸发器和冷却器的出气接头并联到气路管路，进液接头并联到液路管路，气体管路和液体管与气液分离器连通，气液分离器与冷凝器通过管路连通，形成密闭回路，回路内充有冷却液体。2.根据权利要求1所述的集中冷却式变流器，其特征在于：所述冷却器有至少1个出口气接头、至少1个进液接头，至少2个铜密封接头；所述的出口气接头位于冷却器上部的最高位置，进液接头位于冷却器的底部；冷却器内充有冷却液体，电抗器和电容浸没于冷却器内的冷却液体中；电容器或电抗器通过铜密封接头与功率半导体器件电气连接。3.根据权利要求1或2所述的集中冷却式变流器系统，其特征在于：所述冷却液体为绝缘液体，冷却液体在一个标准大气压下的沸点为40℃～55℃。4.根据权利要求1所述的集中冷却式变流器，其特征在于：所述冷板蒸发器为采用铝合金材质制成的矩形空腔体；冷板蒸发器的上部有气路接头，下部有液路接头，气路接头与气体管路连通，液路接头与液体管路连通。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：国建鸿，马本栋，王玲玲，胡书举，许洪华，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11