Преобразователь частоты и способ воздушного охлаждения преобразователя частоты
FREQUENCY CONVERTER AND AIR COOLING METHOD OF AIR COOLING

Заявляемое техническое решение относится к области электротехники, в частности, к областям автоматизированного электропривода (ЭП) и преобразовательной техники с принудительной системой вентиляции и может быть применено для построения средневольтных/высоковольтных преобразователей частоты и других электротехнических устройств шкафного исполнения.
На данный момент известны способы и системы охлаждения высоковольтного электротехнического оборудования выделяющего значительную рассеваемую энергию в виде тепла, которые обеспечивают отвод, выделяемого тепла посредством как природного, так и принудительного вентилирования.
В шкафах, выполненных в виде герметичной оболочки, применяют двухконтурную систему охлаждения, внутренний контур которой является замкнутым и связан с внешним посредством теплообменника.
В зависимости от типа применяемого хладагента различают жидкостную, воздушную и смешанную системы охлаждения, каждая из которых имеет как свои преимущества, так и недостатки в зависимости от условий эксплуатации.
Одной из наиболее распространенных можно считать воздушную систему принудительного охлаждения, ввиду относительной простоты конструкции и удобства в эксплуатации. Основной задачей в развитии данного направления техники является разработка герметичных оболочек с уменьшенными габаритными размерами, упрощение конструкции, повышение ремонтопригодности и эксплуатационных характеристик.
Заявляемое техническое решение обеспечивает решение таких задач.
Из патента RU 2614155 от 16.10.2012 известен испытательный контейнер (10, 40, 70), включает в себя корпус в виде прямоугольного параллелепипеда (12, 42, 72), с расположенными в нем электрическими компонентами (14, 16, 90, 94, 96) системы проверки трансформатора, которые в режиме проверки представляют собой соответствующий источник тепла, и систему охлаждения, по меньшей мере, с одним теплообменником (18, 20, 44, 46, 114). Содержит устройство (22, 24, 48, 49) перемещения, при помощи которого, по меньшей мере, один теплообменник (18, 20, 44, 46, 114) может перемещаться из транспортного положения внутри контейнера (12, 42, 72) в рабочее положение, которое находится, по меньшей мере, частично снаружи контейнера (12,42, 72). Система охлаждения включает в себя замкнутый охлаждающий контур (110) охлаждающего вещества, причем, по меньшей мере, один теплообменник является конденсатором (114), и во внутренней части контейнера предусмотрен, по меньшей мере, один испаритель (112), который соединен с конденсатором через охлаждающий контур (110).
К недостаткам описанного технического решения можно отнести увеличение габаритных размеров в рабочем положении, также наличие гибких соединений теплообменников может привести к их выходу из строя и нарушению герметичности контура.
Из патента на полезную модель RU 144730 от 10.03.2014 известен способ охлаждения отсека трансформатора высоковольтного электротехнического устройства, где используют четыре тангенциальных вентилятора, установленные в нижней части шкафа многообмоточного трансформатора. На дверях шкафа многообмоточного трансформатора установлены три осевых вентилятора, которые обеспечивают подачу воздуха из помещения внутрь.
К недостаткам описанного технического решения можно отнести большое количество вентиляторов, что приводит к увеличению габаритов устройства.
Из патента на изобретение № US9545037(B2) «Система и способ охлаждения электрических приводов» известен способ принудительного воздушного охлаждения электронного устройства, согласно которому, корпус, выполняют с по меньшей мере, одним герметичным отсеком, защищенным от контакта с внешней средой, в указанный корпус заключают, как силовые, так и слаботочные электронные компоненты, а также теплообменник соединенный с герметичным отсеком. Воздушный канал смежный с верхним и нижним герметичными отсеками образует общую стенку с упомянутыми отсеками, которая выполняет функцию радиатора для установленных на ней силовых электронных компонентов. Согласно, описному способу, система охлаждения включает верхний теплообменник, расположенный в воздушном канале и установленный на общей стенке, с возможностью прохода воздуха из верхнего герметичного отсека, а также нижний теплообменник, расположенный в воздушном канале и установленный на общей стенке, с возможностью прохода воздуха из нижнего герметичного отсека. Каждый из теплообменников представляет собой воздухо-воздушный перекрестный теплообменник, имеющий множество проходных каналов, образованных между рядами пластин, имеющих по существу плоские параллельные центральные части.
К недостаткам описанного способа, можно отнести схему движения воздушных потоков, согласно которой воздух на теплообменники поступает подогретым после прохождения радиатора, снижая тем самым эффективность теплообменника.
Из патента на CN203416157(U) от 29.01.2014 известно устройство среднего и высокого напряжения преобразователя частоты с циркуляционной системой охлаждения. Устройство выполнено в корпусе моноблочного исполнения в виде прямоугольного параллелепипеда, включает силовые и слаботочные электронные компоненты помещенные, в по меньшей мере, одном герметичном отсеке с двухконтурной системой принудительного воздушного охлаждения, с по меньшей мере, одним воздухо-воздушным теплообменником.
Способ принудительного воздушного охлаждения включает в себя создание канала циркуляции, реализацию принудительной циркуляции воздуха и теплообменник. Первый теплообмен выполняют во внутреннем контуре преобразователя частоты, затем второй теплообмен осуществляется через теплообменник. Теплообменник содержит три независимых канала, а именно: канала теплообмена, канала холодного воздуха и канала горячего воздуха.
К недостаткам описанного технического решения можно отнести разделение воздушного потока на две части внутри отсека, что приводит к необходимости применение внутри отсека дополнительного рециркуляционного вентилятора для получения воздушного потока достаточной плотности с необходимым расходом и скоростью. Использование теплообменника с применением промежуточного канала теплообмена может снизить эффективность работы теплообменника.
Описанное в патенте CN203416157(U) техническое решение принимаем за ближайший аналог.
Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение заключается в создании удобного в эксплуатации преобразователя частоты (ПЧ) заключенного в компактный герметичный корпус с интегрированной системой двухконтурного принудительного воздушного охлаждения.
Технический результат, полученный от осуществления заявляемого изобретения заключается в повышении ремонтопригодности, а также повышении эргономических характеристики герметичного корпуса преобразователя частоты с повышением эффективности интегрированной системой двухконтурного принудительного воздушного охлаждения.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что герметичный корпус ПЧ по длине разделен на два отсека один из которых выполнен герметичным с внутренним контуром охлаждения, включающим отдельные модули. В первом модуле на подвижной раме установлен высоковольтный трансформатор сухого выполнения. Во втором модуле установлены силовые ячейки инвертора, на изолированной раме. Между модулями, в пределах воздушного канала установлен блок управления, заключенный в отдельном корпусе трапецеидальной формы, обдуваемом с трех сторон. По периметру модулей устроены вентиляционные каналы с установленными в них элементами системы осушения воздуха. В указанных каналах предусмотрены герметичные внешние технологические люки. Каждый из модулей оснащен, по меньшей мере, двумя парами воздухо-воздушных теплообменников установленных в продуваемых воздушных каналах, устроенных в пределах негерметичного отсека, образуя внешний контур охлаждения. Каждая пара теплообменников содержит, по меньшей мере, один вентилятор, причем вентилятор первой пары теплообменников включен во внешний контур охлаждения, а вентилятор второй пары теплообменников включен во внутренний контур и установлен в герметичном воздушном канале между теплообменниками.
Корпус моноблочной конструкции выполнен с возможностью четырех стороннего доступа. Лицевая сторона оснащена герметичными дверями доступа к модулям трансформатора и силовых ячеек инвертора соответственно, а также дверью доступа в блок управления со встроенными микропроцессорным контроллером. Сторона противоположная лицевой, содержит герметично закрываемый отсек подключений и технологичные люка доступа к элементами системы охлаждения, в частности вентиляторам и теплообменникам.
Торцевые стены корпуса оснащены технологическими люками обслуживания трансформатора и доступа к вентиляционным каналам системы охлаждения. Герметичный воздушный канал, устроенный между теплообменниками содержит, по меньшей мере, один вентилятор внутреннего контура системы охлаждения установленный в створе воздушных каналов теплообменников.
Теплообменники сформированы из сборных пластин собранных по принципу сэндвич панелей включающих металлические пластины с полимерной прокладкой между ними, причем сборные пластины разделены дистанционными вставками, установленными на одинаковом расстоянии и соединены резьбовыми продольными элементами, установленными снаружи по периметру теплообменника. Между, по меньшей мере, тремя соседними сборными пластинами посредством дистанционных вставок сформированы два воздушных пути перпендикулярных друг другу, выполненных с возможностью пропускания воздуха в двух направления не допуская его смешивания.
Исходя из описанного конструктивного выполнения способ воздушного охлаждения преобразователя частоты заключается в том, что во внутреннем герметичном контуре формируют отдельные модули, вмещающие высоковольтные электротехнические компоненты. По периметру модулей формируют воздушные каналы обеспечивающие цикличное параллельное движение воздушных потоков, в по меньшей мере, двух последовательных модулях. В задней стенке каждого модуля устанавливают, по меньшей мере, один вентилятора, посредством которого обеспечивают цикличное движение подогретого воздуха в направлении, набора воздухо-воздушных теплообменников установленных попарно в продуваемых воздушных каналах формируя второй – внешний контур охлаждения. Каждую пару теплообменников оснащают, по меньшей мере, одним вентилятором, причем каждый вентилятор устанавливают в створе воздушных каналов одной пары теплообменников.
Также согласно предпочтительному варианту реализации заявляемого изобретения, выполняют управление продуктивностью работы вентиляторов посредством автоматизированной системы управления в зависимости от значения температуры внутри герметичного отсека. Отслеживают влажность воздуха внутри герметичного отсека и выполняют осушение воздуха, путем его дополнительного нагрева до момента выделения влаги на термоэлектрических устройствах, оснащенных частично проницаемыми мембранами.
Согласно заявляемом у изобретению, блок управления заключенный в отдельном корпусе трапецеидальной формы, устанавливают в пределах воздушного канала между модулями герметичного отсека, обеспечивая охлаждение электронных компонентов установленных на его стенах посредством трехстороннего обдува.
Сущность заявляемого технического решения поясняется, но не ограничивается приведенными графическими материалами:
фиг.1 – преобразователь частоты общий вид;
фиг.2 – преобразователь частоты, вид сбоку;
фиг.3 – модуль трансформатора;
фиг.4 – преобразователь частоты, вид сзади;
фиг.5 – схема двухконтурного принудительного воздушного охлаждения;
фиг.6 – схема установки теплообменников;
фиг.7 – воздухо-воздушный теплообменник.
Преобразователь частоты (фиг.1), выполнен в корпусе моноблочного исполнения в виде прямоугольного параллелепипеда с проемами под двери и технологические люки с четырех сторон. Корпус 1 по длине разделен на два отсека. Один отсек 2 выполнен герметичным с внутренним контуром охлаждения, включающим отдельные модули 3,4 (фиг.2). В модуле трансформатора 3 на подвижной раме 5 установлен высоковольтный многообмоточный трансформатор 6 (фиг.3) сухого выполнения. Подвижная рама выполнена в виде роликовой платформы 7 которая установлена на направляющих 8 позволяющих извлекать трансформатор при техническом обслуживании. Для извлечения трансформатора в торцевой стене 9 предусмотрен технологический люк 10 (фиг.1). В рабочем состоянии технологический люк 10 герметично закрыт. Над технологическим люком 10 устроен отсек 11 внешних подключений, который также может быть выполнен в виде отдельной модульной ячейки коммутации.
В модуле 4 установлены силовые ячейки 12 (фиг.2) инвертора, на изолированной раме, выполненной из полимерного материала. Ячейки выполнены легкосъемными и взаимозаменяемы, каждая из ячеек оснащена механическим байпасом. Доступ к модулю ячеек реализован через двери 13 (фиг.1) на передней панели шкафа.
Все двери шкафа оснащены электрическими и механическими замковыми механизмами 14 блокировки двери, ограничивающими доступ внутрь при наличии питающего напряжения на элементах конструкции.
Сторона корпуса (фиг.4), противоположная лицевой содержит герметично закрываемые отсек подключений 15 и технологичные люки 16 доступа к элементами системы охлаждения, в частности вентиляторам и теплообменникам.
Указанное конструктивное выполнение позволяет повысить ремонтопригодность и удобство эксплуатации устройства.
Между модулями трансформатора 3 и инвертора 4 в пределах воздушного канала установлен блок 17 управления (фиг.5), заключенный в отдельном корпусе трапецеидальной формы, обдуваемом с трех сторон. Стенки блока 17 служат радиаторами для установленных на них слаботочных электронных компонентов системы управления. Данное конструктивное решение позволяет обеспечить эффективное охлаждение блока управления без использования дополнительных вентиляторов и охладителей.
По периметру модулей 3,4 устроены вентиляционные каналы 18 формирующие воздушный барьер из охлажденного воздуха 19, между  наружными стенами корпуса и внутренним оборудованием предотвращая его дополнительный нагрев.
В вентиляционных каналах герметичного отсека установлены элементы системы осушения воздуха. Элементы системы осушения воздуха могут быть представлены в виде термоэлектрических устройств Пельтье, установленных на охладителях 20 и совмещенных с частично проницаемыми мембранами, обеспечивающими отвод влаги из корпуса без нарушения его герметичности. Охладители 20 (фиг.6) вынесены в негерметичный контур и установлены на пути движения направленного потока 21 воздуха. Также система осушения воздуха содержит комплект нагревателей воздуха, установлены в пределах герметичного отсека и могут быть представлены в виде известных электронагревательных приборов (на изображениях не показаны).
Вентиляционные каналы оснащены герметично закрываемые внешние технологические люки, обеспечивающие всесторонний доступ к элементам системы вентиляции и осушения воздуха.
Каждый из модулей 3,4 оснащен, по меньшей мере, двумя парами воздухо-воздушных теплообменников 22 (фиг. 6;7) установленных в продуваемых воздушных каналах 23, устроенных в пределах негерметичного отсека 24 (фиг.1), образуя внешний контур 25 (фиг.6) охлаждения. Каждая пара теплообменников содержит, по меньшей мере, один вентилятор, причем вентилятор 26 первой пары теплообменников 27 включен во внешний контур охлаждения, а вентилятор 28 второй пары теплообменников 29 включен во внутренний контур и установлен в герметичном воздушном канале 30 между теплообменниками 29. Вентиляторы 28 внутреннего контура установлены в крайних точках герметичного воздушного канала 30  вдоль вертикальной оси каждого модуля 3,4 в створе воздушных каналов пары теплообменников 29.
Теплообменники 22 (фиг. 7) сформированы из сборных пластин 31 собранных по принципу сэндвич панелей включающих металлические пластины с полимерной прокладкой между ними, причем сборные пластины разделены дистанционными вставками 32, установленными на одинаковом расстоянии и соединены резьбовыми продольными элементами 33, установленными снаружи по периметру теплообменника. Между, по меньшей мере, тремя соседними сборными пластинами посредством дистанционных вставок сформированы два воздушных пути перпендикулярных друг другу, выполненных с возможностью пропускания воздуха в двух направления не допуская его смешивания.
Продуваемые воздушные каналы 23 (фиг.6) оснащены защитными решетками 34.
Способ работы системы охлаждения герметичного корпуса ПЧ согласно заявляемому техническому решению непосредственно связан с конструктивными решениями, описанными выше и может быть реализован при использовании существенных признаков заявляемого изобретения, обеспечивая достижение указанного технического результата.
Согласно заявленному способу систему принудительного воздушного охлаждения ПЧ выполняют двухконтурной, где один из контуров – внутренний 35, выполняют герметичным с защитой от попадания влаги и пыли по стандарту не ниже IP 56, (NEMA 4).
Во внутреннем герметичном контуре формируют отдельные модули 3,4 вмещающие высоковольтные электротехнические компоненты в частности многообмоточный высоковольтный трансформатор 6 сухого исполнения (фиг.3) и набор силовых ячеек 12 инвертора (фиг. 2).
По периметру модулей 3,4 формируют воздушные каналы 18 (фиг 5) обеспечивающие цикличное параллельное движение воздушных потоков 19 в по меньшей мере, двух последовательных модулях 3,4, создавая также воздушный барьер из охлажденного воздуха обеспечивая дополнительную защиту внутреннего оборудования от теплового воздействия окружающей среды. На (фиг.5) изображен один из числа последовательных модулей 3,4 схему движения воздушных потоков, в которых, по существу, идентичны.
В задней стенке каждого модуля 3,4 устанавливают, по меньшей мере, один вентилятор 28 внутреннего контура, посредством которого обеспечивают цикличное движение подогретого воздуха 36 в направлении, набора воздухо-воздушных теплообменников 22 установленных в продуваемых воздушных каналах 23 попарно, формируя второй – внешний контур 37 охлаждения. Каждую пару 27 теплообменников оборудуют, по меньшей мере, одним вентилятором 26, причем каждый из вентиляторов 26, 28 устанавливают в створе воздушных каналов одной пары теплообменников 29, 27 соответственно. В процессе эксплуатации ПЧ выполняют управление продуктивностью работы вентиляторов 26, 28 посредством автоматизированной системы управления в зависимости от значения температуры внутри герметичного отсека 2. Также перед запуском ПЧ отслеживают влажность воздуха внутри герметичного отсека и выполняют осушение внутреннего воздуха, путем его дополнительного нагрева до момента выделения влаги на термоэлектрических устройствах, оснащенных частично проницаемыми мембранами. Управление и контроль внутренним оборудованием ПЧ реализовано на базе программируемого микропроцессорного контроллера 38 установленного в блоке управления. Блок управления 17, заключенный в отдельном корпусе трапецеидальной формы, устанавливают в пределах воздушных каналов 18, между модулями 3,4 герметичного отсека 2 обеспечивая охлаждение электронных компонентов установленных на его стенах посредством трехстороннего обдува.
Заявляемое техническое решение способствует достижению указанного технического результата, обеспечивая оптимальные габариты и герметичность корпуса преобразователя частоты, улучшенные эргономические показатели, а также эффективное принудительное воздушное охлаждение электротехнических элементов, помещенных в герметичном корпусе с защитой от попадания влаги и пыли по стандарту не ниже NEMA 4, посредством интегрированной системы двухконтурного охлаждения.