СИСТЕМА КОНСТРУКТИВНОГО ОФОРМЛЕНИЯ ДЛЯ МОДУЛЬНЫХ СИЛОВЫХ ЯЧЕЕК
DESIGN SYSTEM FOR MODULAR POWER CELLS

Перекрестные ссылки на родственные заявки
По этой заявке испрашивается приоритет находящейся на рассмотрении предварительной заявки №60/713197 на патент США под названием “Packaging method for modular multilevel power cells and system infrastructure”, поданной 31 августа 2005 г., полностью включенной в настоящую заявку путем ссылки.
Декларация относительно финансируемой государством научно-исследовательской работы
Не относится к данному случаю.
Наименования сторон соглашения о совместных исследованиях
Не относятся к данному случаю.
Включение в описание изобретения сведений путем отсылки к материалу на диске
Не производится.
Предпосылки создания изобретения
1. Область техники, к которой относится изобретение
В общем эта заявка относится к области систем подачи электроэнергии.
2. Описание соответствующей области техники
В последние годы привлекают внимание схемы, предназначенные для применения в частотно-регулируемых электроприводах среднего напряжения. В последнее десятилетие предложено несколько новых способов. Например, в схеме, содержащей последовательно соединенные инверторы, описанной в патенте США №5625545 (Hammond), раскрытие которого полностью включено в настоящую заявку путем ссылки, инвертор или силовая ячейка 110 включает в себя трехфазный диодный мостовой выпрямитель 112, один или несколько конденсаторов 114 в цепи постоянного тока и H-мостовой инвертор 116. Выпрямитель 112 преобразует входное 118 напряжение переменного тока в по существу неизменное напряжение постоянного тока, которое поддерживается конденсаторами 114, подключенными к выходу выпрямителя 112. Выходной каскад инвертора 110 включает в себя H-мостовой инвертор 116, который включает в себя два полюса, левый полюс и правый полюс, каждый с двумя приборами. Инвертор 110 преобразует напряжение постоянного тока на конденсаторах 114 в цепи постоянного тока в выходное напряжение 120 переменного тока с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ) полупроводниковых приборов в H-мостовом инверторе 116.
Имеются другие схемы и приводы для регулирования двигателей среднего напряжения и высокого напряжения. В общем случае средним напряжением называют номинальное напряжение выше 690 В и ниже 69 кВ. Согласно некоторым осуществлениям средним напряжением может быть напряжение от около 1000 В до около 69 кВ. Номинальные значения высокого напряжения превышают номинальные значения такого среднего напряжения. Во многих таких системах используют модульные силовые ячейки. В отрасли промышленности часто осуществляют поиск путей уменьшения габаритов таких систем, повышения долговечности и надежности систем и обеспечения возможности поддержания работы систем при одном или нескольких повреждениях.
В раскрытии, содержащемся в настоящей заявке, описываются попытки решения одной или нескольких проблем, описанных выше.
Сущность изобретения
Согласно осуществлению система подачи электроэнергии включает в себя множество удаляемых силовых ячеек, расположенных внутри конструкции корпуса. Каждая силовая ячейка включает в себя охлаждаемый водой радиатор, воздуховпускное отверстие и воздуховыпускное отверстие. Система также включает в себя теплообменник. Каждая ячейка может быть позиционирована для приема воздуха в воздуховпускное отверстие и выпуска воздуха в воздушную напорную камеру. Теплообменник может быть позиционирован для приема воздуха из воздушной напорной камеры, охлаждения воздуха и осуществления рециркуляции охлажденного воздуха в ячейки через воздуховпускное отверстие каждой ячейки. Во время работы воздух, который выпускается в воздушную напорную камеру ячейкой, может быть более теплым, чем воздух, который принимается в воздуховпускное отверстие ячейки. В дополнение к этому радиатор каждой ячейки может быть соединен с водовпускным отверстием и водовыпускным отверстием, и во время работы вода, которая выпускается через водовыпускное отверстие ячейкой, может быть более теплой, чем вода, которая принимается в водовпускное отверстие той же самой ячейки. Согласно некоторым осуществлениям каждая силовая ячейка включает в себя множество соединителей конденсаторов и множество транзисторов. Соединители конденсаторов могут быть расположены ближе к воздуховпускному отверстию по сравнению с местоположением радиатора, и радиатор может быть расположен ближе к воздуховыпускному отверстию по сравнению с местоположением соединителей конденсаторов. Во время работы наибольшее количество воздуха, циркулирующего через ячейку, может соприкасаться с соединителями конденсаторов до соприкосновения с радиатором. Каждая силовая ячейка также может включать в себя схемную плату, которая расположена ближе к воздуховпускному отверстию по сравнению с местоположением радиатора. Система также может включать в себя заднюю панель, расположенную между ячейками и воздушной напорной камерой, множество шин подачи электроэнергии, расположенных внутри воздушной напорной камеры, для подачи электроэнергии на ячейки, и множество шин возврата электроэнергии, расположенных внутри воздушной напорной камеры, для приема электроэнергии от ячеек и подачи электроэнергии на нагрузку. Система также может включать в себя трубопровод подачи воды и трубопровод возврата воды, такие, что каждый трубопровод содержит множество самоуплотняющихся соединений, при этом каждое соединение открывается, когда ячейка присоединяется к соединению, и закрывается, когда ячейка удаляется из соединения.
Согласно альтернативному осуществлению система подачи электроэнергии включает в себя множество удаляемых силовых ячеек, расположенных внутри конструкции корпуса. Каждая силовая ячейка может включать в себя входную шину, выходную шину, воздуховпускное отверстие и воздуховыпускное отверстие, охлаждаемый водой радиатор, который соединен с водовпускным отверстием и водовыпускным отверстием, трубопровод подачи воды и трубопровод возврата воды. Каждый трубопровод может включать в себя самоуплотняющиеся соединения, такие, что каждое соединение открывается, когда ячейка присоединяется к соединению, и закрывается, когда ячейка удаляется из соединения. Система также может включать в себя воздушную напорную камеру и теплообменник, который принимает воздух из воздушной напорной камеры, охлаждает воздух и осуществляет рециркуляцию охлажденного воздуха в ячейки через воздуховпускное отверстие каждой ячейки. Каждая ячейка может быть позиционирована для приема воздуха и выпуска воздуха в воздушную напорную камеру, и каждая ячейка также может быть позиционирована для приема воды через ее водовпускное отверстие и выпуска воды из ее водовыпускного отверстия. Во время работы воздух, который выпускается в воздушную напорную камеру ячейкой, может быть более теплым, чем воздух, который принимается в воздуховпускное отверстие ячейки, и вода, которая выпускается через водовыпускное отверстие ячейкой, может быть более теплой, чем вода, которая принимается в водовпускное отверстие ячейки. Согласно некоторым осуществлениям каждая силовая ячейка может включать в себя множество соединителей конденсаторов и множество транзисторов. Соединители конденсаторов могут быть расположены ближе к воздуховпускному отверстию по сравнению с местоположением радиатора, и радиатор может быть расположен ближе к воздуховыпускному отверстию по сравнению с местоположением соединителей конденсаторов, так что наибольшее количество воздуха, циркулирующего через ячейку, может соприкасаться с соединителями конденсаторов до соприкосновения с радиатором. Согласно некоторым осуществлениям каждая силовая ячейка также может включать в себя схемную плату, которая расположена ближе к воздуховпускному отверстию по сравнению с местоположением радиатора. Система также может включать в себя заднюю панель, расположенную между ячейками и воздушной напорной камерой, множество шин подачи электроэнергии, расположенных внутри воздушной напорной камеры, для подачи электроэнергии на ячейки, и множество шин возврата электроэнергии, расположенных внутри воздушной напорной камеры, для приема электроэнергии от ячеек и подачи электроэнергии на нагрузку.
Согласно некоторым осуществлениям система подачи электроэнергии также может включать в себя множество удаляемых силовых ячеек, расположенных внутри конструкции корпуса, при этом каждая силовая ячейка содержит воздуховпускное отверстие, воздуховыпускное отверстие и охлаждаемый водой радиатор. Система может включать в себя трубопровод подачи воды и трубопровод возврата воды, соединенные с охлаждаемым водой радиатором, где каждый трубопровод содержит множество самоуплотняющихся соединений, при этом каждое соединение открывается, когда ячейка присоединяется к соединению, и закрывается, когда ячейка удаляется из соединения. Система также может включать в себя воздушную напорную камеру и теплообменник, который принимает воздух из воздушной напорной камеры, охлаждает воздух и осуществляет рециркуляцию охлажденного воздуха в ячейки через воздуховпускное отверстие каждой ячейки. Каждая ячейка может быть позиционирована для приема воздуха и выпуска воздуха в воздушную напорную камеру, и во время работы воздух, который выпускается в воздушную напорную камеру ячейкой, является более теплым, чем воздух, который принимается в воздуховпускное отверстие ячейки. Каждая силовая ячейка может включать в себя множество соединений конденсаторов, которые расположены ближе к воздуховпускному отверстию по сравнению с местоположением радиатора. Радиатор может быть расположен ближе к воздуховыпускному отверстию по сравнению с местоположением соединений конденсаторов, так что во время работы наибольшее количество воздуха, циркулирующего через ячейку, соприкасается с соединителями конденсаторов до соприкосновения с радиатором. Согласно некоторым осуществлениям каждая силовая ячейка также может включать в себя схемную плату, которая расположена ближе к воздуховпускному отверстию по сравнению с местоположением радиатора. Система также может включать в себя заднюю панель, расположенную между ячейками и воздушной напорной камерой, множество шин подачи электроэнергии, расположенных внутри воздушной напорной камеры, для подачи электроэнергии на ячейки, и множество шин возврата электроэнергии, расположенных внутри воздушной напорной камеры, для приема электроэнергии от ячеек и подачи электроэнергии на нагрузку.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - принципиальная электрическая схема, иллюстрирующая типовые особенности силовой ячейки из предшествующего уровня техники;
Фиг.2 - схема, содержащая множество силовых ячеек, соединенных с нагрузкой;
Фиг.3А - перспективный вид сзади, а Фиг.3В - перспективный вид середи примерной конструкции корпуса силовой ячейки, тогда как Фиг.3С и 3D - виды примерных соединительных элементов для конструкции силовой ячейки;
Фиг.4 - вид примерной внутренней конструкции силовой ячейки;
Фиг.5 - вид примерной опорной конструкции для многочисленных силовых ячеек;
Фиг.6 - вид примерной системы силовых ячеек в корпусе;
Фиг.7 - вид примерной системы подачи воды.
Подробное описание
До того как предложенные способы, системы и материалы будут раскрыты, следует уяснить, что это раскрытие не ограничено конкретными описанными методологиями, системами и материалами, поскольку они могут изменяться. Также должно быть понятно, что терминология, использованная в описании, предназначена для описания только конкретных версий или осуществлений и не предполагается ограничивающей объем. Например, используемые в описании и в прилагаемой формуле изобретения сингулярные формы неопределенных артиклей и определенного артикля включают в себя указание на формы множественного числа, если контекстом ясно не диктуется иное. Кроме того, термин «содержащий» предполагается означающим «включающий в себя, но не ограниченный этим». Если только не определено иное, все технические и научные термины, использованные в настоящей заявке, имеют одинаковые значения, обычно понятные специалисту в данной области техники.
Согласно различным осуществлениям многоуровневая силовая схема включает в себя множество силовых ячеек для возбуждения нагрузки. На Фиг.2 показан пример осуществления схемы, имеющей такие силовые ячейки. На Фиг.2 с трансформатора 210 трехфазное электропитание среднего напряжения подводится к нагрузке 230, такой, как трехфазный асинхронный двигатель, через матрицу однофазных инверторов (также называемых силовыми ячейками). Трансформатор 210 включает в себя первичные обмотки 212, которые возбуждают некоторое количество вторичных обмоток 214-225. Хотя первичные обмотки 212 показаны как имеющие соединение звездой, также возможно соединение треугольником. Далее, хотя вторичные обмотки 214-225 показаны как имеющие соединение треугольником, возможны соединенные звездой вторичные обмотки, или может быть использовано сочетание соединенных звездой и треугольником обмоток. Кроме того, количество вторичных обмоток, показанных на Фиг.2, является только примерным, и возможны другие количества вторичных обмоток. Схема может быть использована для устройств среднего напряжения или согласно некоторым осуществлениям для других устройств.
Любое количество рядов силовых ячеек включают между трансформатором 210 и нагрузкой 230. «Рядом» считается трехфазный набор или группа силовых ячеек, установленных в поперечном направлении каждой из трех фаз системы подачи электроэнергии. Что касается Фиг.2, то ряд 250 включает в себя силовые ячейки 251-253, ряд 260 включает в себя силовые ячейки 261-263, ряд 270 включает в себя силовые ячейки 271-273 и ряд 280 включает в себя силовые ячейки 281-283. Может быть меньше четырех рядов или больше четырех рядов. С центральной управляющей системы 295 по оптическим волокнам или по другим проводным или беспроводным каналам 290 связи посылаются командные сигналы для местных управляющих устройств в каждой ячейке.
Силовыми ячейками, показанными на Фиг.2, обеспечивается модульная многоуровневая система, в которой при необходимости предоставляется возможность замены ячеек для согласования с различными проектными требованиями или для замены вышедшей из строя ячейки. На Фиг.3А показан перспективный вид сзади и на Фиг.3В показан перспективный вид спереди примера конструкции 310 силовой ячейки. Силовая ячейка 310 включает в себя шасси 312 и некоторое количество входных/выходных соединителей 325 электропитания.
Обратимся к Фиг.3С, где соединитель 325 электропитания для силовой ячейки может включать в себя проводящий штырь 371, который выдается из установочного блока 370. Что касается Фиг.3D, то проводящий штырь 371 может быть выдержан по размерам для осуществления надежного электрического соединения с соединителем 380 электропитания для силовой шины. Например, проводящий штырь 371 может вставляться между парой проводящих штырей 381, 382 соединителя 380 силовой шины и контактировать с ними. Согласно некоторым осуществлениям соединитель 380 силовой шины может включать в себя опору 383, которая способствует получению по существу фиксированного соединения. Возможны другие конфигурации соединителя электропитания. Кроме того, согласно некоторым осуществлениям конструкция, подобная соединителю 380 силовой шины, может быть включена в состав силовой ячейки, тогда как конструкция, подобная 325, может быть включена в состав силовой шины.
Возвратимся к Фиг.3А и 3В, где шасси 312 заключает в себя различные компоненты электронного модуля 310, такие, как один или несколько конденсаторов, печатные схемные платы, радиаторы и т.д. Шасси 312 может быть изготовлено из любого подходящего материала, такого как оцинкованная сталь или другой металл, который механическим и электромагнитным способом изолирует силовую ячейку от других силовых ячеек в системе как во время нормальной работы, так и при многих аномальных рабочих условиях. Шасси 312 может служить для защиты внутренних компонентов электронного модуля 310 от повреждения во время транспортировки и погрузочно-разгрузочных работ, и оно может быть сконструировано таким образом, что электронный модуль 310 может быть размещен на любой из ее сторон без нанесения какого-либо повреждения компонентам электронного модуля 310. Согласно различным осуществлениям шасси 312 может быть составлено из нескольких частей, соединенных друг с другом, и одна или несколько частей шасси 312 могут быть съемными. К тому же шасси 312 может быть толщиной, достаточной для предотвращения выброса любых обломков, являющихся результатом разрушения внутренних компонентов электронного модуля 310, из пространства, окруженного шасси 312, вследствие чего предотвращается любое сопутствующее повреждение других компонентов вблизи электронного модуля 310. Кроме того, шасси 312 может служить для обеспечения пути низкого импеданса в случае замыканий через дугу внутри шасси, чтобы минимизировать потенциальное повреждение, возникающее в связи с этим.
Типичные внутренние компоненты ячейки могут включать в себя электронный узел, который может включать в себя управляемые током приборы или переключатели, такие, как модули биполярных транзисторов с изолированным затвором, другие транзисторы, тиристоры и один или несколько выпрямительных модулей. Биполярные транзисторы с изолированным затвором могут быть разнесены в соответствии с местоположениями шин ввода-вывода и для улучшения тепловых характеристик. Ячейка может включать в себя одну или несколько плат управления или других электронных устройств, которые могут быть расположены вблизи передней стороны 311 ячейки вместе с необязательным смотровым окном 315, закрытым дверцей или панелью, которая может быть открыта или снята. Внутренняя передняя поверхность ячейки может включать в себя множество соединителей 330 конденсаторов, в которых размещают конденсаторы для работы ячейки. Конденсаторы (непоказанные) могут продолжаться от соединителей конденсаторов к задней части 321 ячейки или в другом направлении. Нижняя часть ячейки, где расположены конденсаторы, может быть закрыта кожухом, который используется в качестве нижней части (непоказанной) шасси 312.
Ячейка 312 может содержать систему водяного охлаждения для удаления теплоты из ячейки во время работы. Внутренние водоохлаждающие трубки ячейки могут содержать водовпускное соединение 330 и водовыпускное соединение 332 для приема холодной воды в ячейку и удаления воды из ячейки, соответственно, с помощью одного или нескольких шлангов или трубок.
Обратимся к Фиг.4, где с помощью гибких соединений вода может подаваться во входной водяной патрубок 410 и приниматься из выходного водяного патрубка 412, которые соединены для подачи жидкости в охлаждаемый водой радиатор 416 и вывода из него, представляющий собой герметичный контейнер, который содержит охлаждающую жидкость в месте, которое является эффективным для поглощения теплоты из компонентов ячейки, например в месте под биполярными транзисторами с изолированным затвором, соединенными с шинами 422, 423 и 424 и другими компонентами ячейки. Шины 422, 423 и 424 могут быть электрически соединены с одной или несколькими вилками 325 электропитания (см. Фиг.3). Шиной может быть любое электропроводное подводящее устройство, такое, как провод, жесткая или гибкая деталь из металла, проводящего полимера или другого материала. Что касается Фиг.3, то радиатор и биполярные транзисторы с изолированным затвором обычно располагают вблизи задней части 321 ячейки. Вода для радиатора может охлаждать биполярные транзисторы с изолированным затвором. Деионизированная вода является предпочтительной, и вода может повторно пропускаться в воздушно-водяной или водоводяной теплообменник, который расположен вне ячейки.
Снова обратимся к Фиг.3, где в дополнение к водоохлаждающей конструкции каждая ячейка может включать в себя воздуховпускное отверстие 340 и воздуховыпускное отверстие 342, которые направляют воздух через ячейку 310 так, что воздух протекает над компонентами, такими, как соединения конденсаторов, электронные и управляющие платы, силовые переключатели, соединители шин и/или сами шины. Согласно некоторым осуществлениям каждое воздуховпускное и выпускное отверстие может быть закрыто фильтром или сеткой. Предпочтительно располагать компоненты ячейки 310 так, чтобы воздух протекал сначала над соединениями конденсаторов и/или схемными платами, при этом поток воздуха над радиатором появляется в воздушном течении позднее. Это происходит благодаря расположению соединений 330 конденсаторов и схемных плат (под отверстием 315) вблизи передней части ячейки, наряду с расположением радиатора 416 вблизи воздуховыпускного отверстия 342 или задней поверхности 321 ячейки. Поэтому воздух может быть холоднее, когда он проходит через компоненты, которые к тому же не находятся вблизи охлаждаемого водой радиатора, тогда как воздух может быть теплее в областях, где радиатор к тому же обеспечивает охлаждающую способность.
На Фиг.5 показана примерная опорная конструкция 544 для многочисленных силовых ячеек, например девяти ячеек, внутри корпуса, в котором каждую силовую ячейку или другой электронный модуль располагают на одной или нескольких установочных направляющих 546 так, чтобы задняя часть каждой ячейки была обращена к задней панели 548, а вилки электропитания ячеек контактировали с соединителями 521-525 электропитания ячеек внутри воздушной напорной камеры. Задняя панель 548 может быть изготовлена из любого подходящего непроводящего материала, такого, как высокопрочный непроводящий многослойный материал, и она отделяет воздушную напорную камеру от теплообменной системы, которая удаляет теплоту из отдельных ячеек.
На Фиг.6 показана примерная система 600 силовых ячеек, содержащая большое количество заменяемых силовых ячеек 310, соединенных с силовыми входными/выходными рабочими шинами 605 через соединительную рабочую шину 620. Задняя панель 548 отделяет силовые ячейки 310 от воздушной напорной камеры 610. Когда воздух перемещается в переднюю часть ячейки, воздух может поглощать теплоту из компонентов ячейки. Воздух, который оставляет ячейку в задней части ее и проходит через отверстие в задней панели 548, обычно теплее, чем воздух, который входит в ячейку. Теплообменник 640 принимает теплый или горячий воздух из воздушной напорной камеры 610, охлаждает воздух и возвращает охлажденный воздух в переднюю часть ячеек через воздуходувное пространство 630, которое находится внутри корпуса 650 системы. В качестве теплообменника 640 может быть использована любая подходящая система охлаждения воздуха. Предпочтительно, чтобы теплообменник 640 был расположен на верхней части корпуса 650 или вблизи нее, хотя возможны другие места расположения. Таким образом, воздух в системе может направляться от задней части ячеек через теплообменник на основе постоянной рециркуляции. В некоторых осуществлениях системы принудительной подачи воздуха, описанной в настоящей заявке, рециркуляция воздуха может снижать ионизацию воздуха и дуговые замыкания, связанные с такой ионизацией.
На Фиг.7 показана система подачи воды, которая также может быть помещена внутрь корпуса. Каждая ячейка 310 имеет входное и выходное гибкие соединения 330 и 332, которые подключены к трубопроводу для подачи 740 и возврата 742 воды через соединительные патрубки 710 и 712. Водяные трубопроводы и патрубки могут быть изготовлены из любого материала, пригодного для передачи горячей и холодной воды, такого, как некорродирующий металл, резина, силикон, поливинилхлорид, пластик или другой подходящий материал. Соединения между гибкими соединениями 330 и 332 и соединительными патрубками 710 и 712 могут быть самоуплотняющимися, так что отдельная силовая ячейка может быть удалена из системы без нарушения водных путей к другим ячейкам. Любое подходящее уплотнительное устройство, такое как клапан, который открывается при соединении и закрывается при разъединении, может быть использован для этой цели. Трубопроводы подачи 740 и возврата 742 воды могут быть расположены внутри воздушной напорной камеры 610 системы 600 подачи электроэнергии (обратитесь к Фиг.6). Чтобы быть охлажденной, вода, предпочтительно деионизированная, может циркулировать во внешний теплообменник или из него.
В системах среднего напряжения температура воздуха, входящего в ячейку, может быть отрегулирована так, чтобы она была приблизительно 55°С, тогда как температура воды, подаваемой в ячейки, может быть отрегулирована так, чтобы она была приблизительно 47°С. Возможны другие температуры. Воздух и вода могут поглощать теплоту при нахождении внутри ячеек и, согласно некоторым осуществлениям, воздух и вода, выходящие из ячеек, могут быть на несколько градусов теплее, чем воздух и вода, которые входят в ячейки.
Все же на основании чтения изложенного выше подробного описания нескольких примеров осуществления и рассмотрения чертежей для специалистов в данной области техники должны без труда стать очевидными другие осуществления. Должно быть понятно, что могут быть многочисленные варианты, модификации и дополнительные осуществления, и соответственно все такие варианты, модификации и осуществления должны считаться находящимися в рамках сущности и объема этой заявки.