СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМИ ОХЛАЖДАЮЩИМИ КАНАЛАМИ
COOLING SYSTEM WITH PARALLEL COOLING CHANNELS

Изобретение относится к системе охлаждения для силового преобразователя. Кроме того, изобретение относится к силовому преобразователю с подобной системой охлаждения. Изобретение также относится к способу для регулирования и/или управления подобной системой охлаждения или подобным силовым преобразователем.
Силовые преобразователи для преобразования электрической энергии вырабатывают мощность потерь, которая проявляется в тепловых потерях. Это тепло должно быть отведено от соответствующих компонентов, чтобы защитить их от повреждений. В силовом преобразователе возникает мощность потерь, особенно в силовой части. Там используются различные электрические компоненты, которые нагреваются во время работы за счет электрических потерь и должны охлаждаться, чтобы гарантировать необходимый срок службы компонентов. Это в основном полупроводники (например, биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT)) и конденсаторы промежуточного контура. Поскольку на срок службы конденсаторов промежуточного контура очень сильно виляет температура окружающей среды, она не должна превышать примерно 70°С, чтобы можно было применять стандартные компоненты. Эти стандартные компоненты доступны на рынке по выгодной цене и обуславливают низкие затраты на производство силового преобразователя.
Ввиду низкой допустимой температуры окружающей среды для конденсаторов промежуточного контура, существует требование относительно размещения в силовом агрегате с воздушным охлаждением. При этом конденсаторы промежуточного контура располагаются в воздушном потоке для охлаждения либо перед полупроводниками, либо с помощью воздушного обходного канала. Таким образом, гарантируется, что они снабжаются холодным, то есть не нагретым предварительно, охлаждающим воздухом.
В основе изобретения лежит задача усовершенствовать систему охлаждения для силового преобразователя.
Эта задача решается посредством системы охлаждения для силового преобразователя с признаками пункта 1 формулы изобретения. Кроме того, задача решается посредством силового преобразователя с подобной системой охлаждения. Также задача решается посредством способа для регулирования и/или управления подобной системой охлаждения.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
В основе изобретения лежит знание о том, что хорошее снабжение достаточно холодной охлаждающей средой, например воздухом или водой, может быть реализовано параллельным расположением двух охлаждающих каналов для охлаждения конденсаторов промежуточного контура и полупроводников в устройстве. Полупроводники, ввиду высоких коммутируемых токов, также называют силовыми полупроводниками. С этой целью, для этих обоих различных компонентов предусмотрены непосредственно обтекаемые потоком и герметически раздельные охлаждающие каналы. Посредством обоих охлаждающих каналов, как конденсаторы промежуточного контура, так и полупроводники охлаждаются не нагретой предварительно охлаждающей средой. Для конденсаторов промежуточного контура, это имеет преимущество, состоящее в том, что допустимые максимальные температуры надежно поддерживаются. Одновременно, заметно более высокая мощность потерь полупроводников может отводиться надежным образом. При этом можно простым способом избежать взаимного влияния за счет параллельного расположения. Наряду с тепловыми преимуществами, с использованием обоих охлаждающих каналов также можно реализовать относительно более простую, низкоиндуктивную конструкцию устройства с очень простыми токовыми шинами для направления тока для DC- и AC-шин. Благодаря такой компоновке, конструктивный объем всего устройства можно сделать весьма компактным.
При этом охлаждающие каналы выполнены как воздушные каналы. Применение воздуха оказалось особенно выгодным. Он может отбираться из окружающей среды и подводиться с помощью охлаждающих каналов к охлаждаемым компонентам. Распределение охлаждающего воздуха на два параллельных охлаждающих канала возможно без каких-либо проблем. В отличие от охлаждения водой в качестве охлаждающей среды, можно отказаться от противоточного (обратного) охладителя, который передает тепло от воды в окружающую среду. Тем самым можно реализовать особенно простую по конструкции и одновременно весьма эффективную систему охлаждения.
При этом система охлаждения имеет воздухораспределитель, причем воздухораспределитель предпочтительно выполнен таким образом, чтобы распределять поток воздуха между первым охлаждающим каналом и вторым охлаждающим каналом в соотношении 90:10. Так как хотя конденсаторы промежуточного контура требуют как можно более низкую температуру охлаждающей среды, но мощность потерь в полупроводниках значительно больше, чем в конденсаторах промежуточного контура, оказалось выгодным распределять полный поток воздуха посредством воздухораспределителя в соотношении 90:10 (объем воздуха для полупроводников относительно конденсаторов промежуточного контура). Исследования показали, что распределение в диапазоне от 80:20 до 95:5 позволяет достичь хороших и прежде всего равномерных результатов охлаждения.
Для этой цели является предпочтительным, когда для распределения охлаждающего воздуха на первый и второй охлаждающий канал используется измеренное значение температуры. Для этой цели система охлаждения имеет датчик температуры. Это измеренное значение температуры может применяться непосредственно или после обработки, например, после вычислений в температурной модели, для регулирования или управления распределением воздуха между обоими охлаждающими каналами. При этом датчик температуры может, например, измерять температуру охлаждаемого компонента, находящегося в канале охлаждающего воздуха. В качестве альтернативы или дополнительно, также может измеряться температура охлаждающего воздуха, особенно отработанного воздуха, т.е. после того, как он воспринял тепло охлаждаемых компонентов, и применяться для регулирования или управления распределением.
Преимущество распределения воздуха в зависимости от измеренного значения температуры заключается в том, что подлежащие охлаждению компонентов в обоих воздушных каналах могут охлаждаться оптимальным образом в зависимости от рабочих условий. При этом, например, распределение может устанавливаться таким образом, что потеря срока службы из-за нагрева компонентов, подлежащих охлаждению, выравнивается. В качестве альтернативы или дополнительно, можно регулировать или управлять как количеством воздуха, так и распределением воздуха таким образом, что температура охлаждаемых компонентов принимает опорное значение и остается во время работы на этом значении. За счет исключения температурных колебаний, срок службы охлаждаемых компонентов увеличивается.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения, система охлаждения имеет точно один вентилятор, который расположен таким образом, чтобы создавать потоки охлаждающего воздуха в первом и во втором канале охлаждения. Полный требуемый охлаждающий воздух для обоих воздушных каналов при этом выполнении может подводиться посредством только одного вентилятора к конденсаторам промежуточного контура и полупроводникам. При этом вентилятор создает потоки охлаждающего воздуха как в первом, так и во втором охлаждающем канале. При этом необходимый охлаждающий воздух нагнетается вентилятором в оба охлаждающих канала.
При этом воздухораспределитель для распределения воздуха в оба охлаждающих каналах может иметь отверстия различного размера, так что получается соответствующее соотношение распределения. В качестве альтернативы или дополнительно, эти отверстия могут быть снабжены подвижными створками, с помощью которых распределение может настраиваться. Преимущество настройки состоит в том, что на различные распределения мощности потерь можно реагировать, например, в зависимости от рабочей точки силового преобразователя, и охлаждение для обоих компонентов может выполняться оптимальным образом. Распределение может управляться или регулироваться, например, в зависимости от температуры конденсаторов промежуточного контура и/или полупроводников.
Другая возможность осуществить распределение воздуха на два охлаждающих канала состоит в том, чтобы предусмотреть средство для снижения давления по меньшей мере для одного из охлаждающих каналов. Тем самым также можно простым способом влиять на распределение количества охлаждающего воздух на оба охлаждающих канала.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения, первый и второй охлаждающий канал в области параллельного расположения установлены пространственно параллельно. При пространственно параллельном расположении, наружная оболочка первого охлаждающего канала проходит, по меньшей мере на участках, параллельно внешней оболочке второго охлаждающего канала. Посредством пространственно параллельного расположения, также конденсаторы промежуточного контура и полупроводники могут располагаться параллельно в силовом преобразователе. Тем самым и в отношении электрических характеристик может быть реализована особенно простая и низкоиндуктивная конструкция устройства с очень простыми токовыми шинами для направления тока для DC- и AC-шин. Благодаря такой компоновке, конструктивный объем силового преобразователя можно реализовать весьма компактно и, следовательно, экономично.
В дальнейшем изобретение будет подробно описано и пояснено на основе примеров выполнения, представленных на чертежах, на которых показано следующее:
Фиг. 1 - два охлаждающих канала силового преобразователя и
Фиг. 2 - силовой преобразователь.
Фиг. 1 показывает систему 1 охлаждения для применения воздуха в качестве охлаждающей среды. Эта система 1 охлаждения имеет первый охлаждающий канал 11 и второй охлаждающий канал 12. Они продолжаются пространственно параллельно через представленную часть силового преобразователя 2. Ясно видны отдельные охлаждающие каналы для охлаждения полупроводников 21 и охлаждения конденсаторов 22 промежуточного контура. При этом первый охлаждающий канал 11 используется для охлаждения полупроводников 21, которые смонтированы на радиаторе. Охлаждающие ребра радиатора выступают в первый охлаждающий канал 11. Тем самым полупроводники 21 отдают тепло, вырабатываемое мощностью потерь, через радиатор в воздух охлаждающей среды. Таким образом, перегрев полупроводников 21 может надежно предотвращаться.
Во втором охлаждающем канале 12 расположены конденсаторы 22 промежуточного контура. Они находятся во втором охлаждающем канале 12 и обтекаются воздухом охлаждающей среды. При этом конденсаторы 22 промежуточного контура отдают тепло, возникающее в конденсаторах вследствие потерь. Поскольку мощность потерь полупроводников 21 больше, чем мощность потерь конденсаторов 22 промежуточного контура, то и эффективная площадь поперечного сечения первого охлаждающего канала 11 больше, чем эффективная площадь поперечного сечения второго охлаждающего канала 12. Эффективная площадь поперечного сечения равна площади поперечного сечения охлаждающего канала 11, 12 за вычетом площади поперечного сечения выступающих в него компонентов, таких как конденсаторы 22 промежуточного контура или охлаждающие ребра.
Для управления распределением воздуха между обоими охлаждающими каналами 11, 12 служит не показанный здесь воздухораспределитель 4 на входе обоих охлаждающих каналов 11, 12. С помощью него можно, например, в зависимости от рабочей точки и/или температур, измеренных на полупроводниках 21 и/или конденсаторах 22 промежуточного контура, осуществлять управление или регулирование распределения охлаждающего воздуха в обоих охлаждающих каналах 11, 12.
На фиг. 2 показан силовой преобразователь 2 с системой 1 охлаждения. Во избежание повторения, можно сослаться на фиг. 1 и все введенные там ссылочные позиции. Для создания потока охлаждающего воздуха, силовой преобразователь 2 содержит вентилятор 3. Посредством не показанного здесь воздухораспределителя 4, с помощью вентилятора 3 создается поток охлаждающего воздуха как в первом охлаждающем канале 11, так и во втором охлаждающем канале 12.
Таким образом, изобретение относится к системе охлаждения для силового преобразователя. Для усовершенствования системы охлаждения предложено оснастить систему охлаждения первым охлаждающим каналом и вторым охлаждающим каналом, причем первый и второй охлаждающие каналы, по меньшей мере на участках, расположены параллельно, причем в области параллельного расположения первый охлаждающий канал выполнен для охлаждения полупроводников силового преобразователя, причем в области параллельного расположения второй охлаждающий канал выполнен для охлаждения конденсаторов промежуточного контура силового преобразователя. Кроме того, изобретение относится к силовому преобразователю с подобной системой охлаждения.