Система восприятия температуры для силового электронного устройства

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат состоит в повышении достоверности информации о тепловых перегрузках. Силовое электронное устройство содержит корпус, проводящий элемент, расположенный внутри корпуса и рассчитанный по меньшей мере на среднее напряжение, систему охлаждения во флюидном взаимодействии с проводящим элементом, множество маркеров восприятия температуры и блок сбора данных, имеющий приемник, который выполнен с возможностью приема сигналов от антенн маркеров восприятия температуры. Система охлаждения имеет множество элементов выпускного трубопровода, которые расположены внутри корпуса. Каждый из маркеров может быть прикреплен к одному из выпускных трубопроводов и может включать в себя источник питания, датчик температуры и антенну. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Предпосылки

[0001] Использование силовых электронных устройств, таких как набор инверторов для управления моторным приводом или другим устройством с электропитанием, хорошо известно. Компоненты одной известной системы управления двигателем показаны на фиг. 1. Фиг. 1 иллюстрирует различные варианты осуществления источника питания (такого как моторный привод переменного тока (АС)), имеющего девять таких элементов питания. Элементы питания на фиг. 1 представлены блоком, имеющим входные выводы А, В и С; и выходные выводы Т1 и Т2. На фиг. 1 трансформатор или другое устройство 110 с множеством обмоток получает трехфазную мощность среднего напряжения на своей первичной обмотке 112 и выдает мощность на нагрузку 130, например, трехфазный АС двигатель через матрицу однофазных инверторов (также упоминаемых как элементы питания) 151-153, 161-163 и 171-173. Каждая фаза выхода источника питания запитывается группой последовательно соединенных элементов питания, называемой здесь "группой фазы" 150, 160 и 170.

[0002] Трансформатор 110 включает в себя первичные обмотки 112, которые возбуждают ряд вторичных обмоток 114-122. Хотя первичные обмотки 112 показаны как имеющие звездообразную конфигурацию, сетчатая конфигурация также возможна. Кроме того, хотя вторичные обмотки 114-122 показаны как имеющие конфигурацию треугольника или расширенного треугольника, другие конфигурации обмоток могут быть использованы, как описано в патенте США №5625545 на имя Hammond, раскрытие которого включено в настоящее описание посредством ссылки во всей его полноте. В примере по фиг. 1 имеется отдельная вторичная обмотка для каждого элемента питания. Однако количество элементов питания и/или вторичных обмоток, показанное на фиг. 1, является просто иллюстративным, и возможны другие количества. Дополнительные сведения о таком источнике питания раскрыты в патенте США №5625545.

[0003] Некоторые функциональные компоненты инверторов могут подвергаться высокой тепловой нагрузке во время работы. При возникновении высоких температур, например, в результате работы с временной перегрузкой или другой операции за пределами базовых расчетных параметров, внутренние температуры компонентов могут достигать или превышать критические температуры. Такие системы могут охлаждаться за счет циркуляции холодной воды и/или воздуха через компоненты, чтобы поглощать тепло и уменьшать температуру компонента. Тем не менее, желательно воспринимать температуру компонента, чтобы определять, когда компонент приближается к критической температуре.

[0004] Большое количество мест измерения температуры в силовой электронной схеме и условия работы с высокими тепловыми нагрузками делают затруднительным адекватное восприятие температуры силового электронного устройства.

[0005] В настоящем документе описаны способы и системы, которые пытаются решить по меньшей мере некоторые из проблем, описанных выше, и/или другие проблемы.

Сущность изобретения

[0006] В варианте осуществления силовое электронное устройство может включать в себя корпус, проводящий элемент, расположенный внутри корпуса и рассчитанный на по меньшей мере среднее напряжение, систему охлаждения во флюидном взаимодействии с проводящим элементом, множество маркеров восприятия температуры и блок сбора данных, имеющий приемник, выполненный с возможностью приема сигналов от антенн маркеров восприятия температуры. Система охлаждения может иметь множество элементов выпускных трубопроводов, которые расположены внутри корпуса. Каждый из маркеров может быть прикреплен к одному из выпускных трубопроводов и может включать в себя источник питания, датчик температуры и антенну.

Описание чертежей

[0007] Фиг. 1 иллюстрирует вариант осуществления известной из уровня техники системы питания для снижения гармонических искажений и коррекции коэффициента мощности.

[0008] Фиг. 2 иллюстрирует пример силового электронного устройства и системы охлаждения.

[000 9] Фиг. 3 иллюстрирует различные компоненты системы восприятия температуры для одного или более компонентов силового электронного устройства.

Подробное описание

[0010] Как используется в настоящем документе и в прилагаемой формуле изобретения, формы единственного числа включают ссылку на множественное число, если из контекста явно не следует иное. Если не определено иначе, все технические и научные термины, используемые в данном документе, имеют те же значения, как обычно понимается специалистом в данной области. Как используется в данном документе, термин "содержащий" означает "включающий в себя, без ограничения указанным".

[0011] Электронные системы привода, такие как показано на фиг. 1, являются обычно используемыми силовыми электронными устройствами, которые могут управлять нагрузками, такими как двигатели среднего напряжения. Как описано выше, такие системы могут использовать инверторы или другие элементы питания 151-153, 161-163, 171-173. В процессе работы эти элементы могут подвергаться высокой термической нагрузке вследствие изменяющейся во времени потери мощности. При возникновении более высоких температур, как в случае работы с временной перегрузкой или другой операции за пределами базовых расчетных параметров элемента питания, внутренние температуры тех или иных компонентов силовых электронных устройств могут достигать или превышать критические температуры.

[0012] Для долгосрочного надежного функционирования желательно контролировать температуру силовых электронных устройств. Компоненты, которые можно контролировать, включают в себя, без ограничения указанным, катушки индуктивности, трансформаторы и полупроводниковые приборы (IGBT, MOSFET, тиристоры и т.д.). Однако большое количество мест для восприятия температуры в силовом электронном устройстве создает проблемы, потому что такие места часто находятся под высоким потенциалом напряжения относительно земли и относительно друг друга. Поэтому имеется проблема во взаимодействии источника питания и проводов передачи данных с датчиками, которые находятся в контакте с высоким напряжением. Кроме того, эти места находятся в мощной электромагнитной среде, обусловленной большими токами, содержащими высокие гармоники, а также высокими переменными напряжениями. Датчики генерируют очень малые электрические сигналы, которые могут легко искажаться сильными электромагнитными полями, что создает еще одну проблему.

[0013] Фиг. 2 иллюстрирует систему, которая решает такие проблемы, как описано выше. Фиг. 2 иллюстрирует систему в контексте трехфазного трансформатора 201 среднего напряжения. Как используется в данном документе, "среднее напряжение" в целом относится к напряжениям, которые указываются в области энергетики как таковой. Примеры включают 1 киловольт (кВ) - 35 кВ, 600 вольт - 69 кВ, 2,4 кВ - 39 кВ или любое сочетание верхних и нижних пределов этих диапазонов. Однако система также может быть использована с другими силовыми электронными устройствами. Фиг. 2 иллюстрирует вторичную сторону трехфазного трансформатора среднего напряжения, включающего в себя проводящий сердечник 210 и три фазы 211, 212, 213, каждая из которых включает в себя набор первичных обмоток и вторичных обмоток 220а…220n. В трансформаторе среднего напряжения любое количество вторичных обмоток может быть использовано в качестве проводящих элементов, например, 15-20 вторичных обмоток на фазу, каждая из которых имеет 5-20 витков. Возможны и другие конфигурации. Некоторые или все из компонентов трансформатора могут содержаться в корпусе 240.

[0014] Система охлаждения находится во флюидном взаимодействии с проводящим элементом. Система охлаждения может содержать один или более трубопроводов, в которых циркулирует воздух, вода или другой газ или жидкость через область проводящих элементов. Как показано на фиг. 2, система охлаждения для одной фазы трансформатора включает в себя впускной трубопровод 231 и выпускной трубопровод 233, которые по меньшей мере частично расположены внутри корпуса 240. Несколько впускных и выпускных трубопроводов могут быть включены для каждой фазы.

[0015] Фиг. 3 иллюстрирует систему, которая фокусируется на одном компоненте 213 силового электронного устройства, в этом случае одной фазе трансформатора. Как показано на фиг. 1, фаза может включать в себя набор проводящих катушек 213, и система включает в себя охлаждающий блок 301 и впускной трубопровод 231 и выпускной трубопровод 233. Флюид или газ охлаждается с помощью охлаждающего блока 301, отправляется к компоненту 213 через впускной трубопровод 231, где он поглощает тепло. Флюид или газ затем возвращается к охлаждающему блоку 301 через выпускной трубопровод 233. Может быть использовано множество впускных и выпускных трубопроводов, каждый из которых возвращается к тому же самому охлаждающему блоку. Кроме того, может быть использовано множество охлаждающих блоков.

[0016] Маркер 311а восприятия температуры расположен так, чтобы контактировать с выпускным трубопроводом 213 и детектировать температуру выпускного трубопровода. Опционально, может быть использовано любое количество маркеров 311А…311n восприятия температуры, например, один маркер для каждого трубопровода. Маркеры восприятия температуры могут быть расположены внутри корпуса трансформатора, опционально, в точке или очень близко к точке, где трубопровод граничит с компонентом. Маркеры могут быть ориентированы таким образом, что каждый из маркеров расположен вдоль оси, которая по существу перпендикулярна таковой соседних с ним маркеров, чтобы снизить риск образования дуги. Каждый из маркеров восприятия температуры может включать в себя источник питания, датчик температуры и антенну, так что они могут беспроводным способом передавать сигналы, соответствующие воспринятой температуре, на удаленный блок сбора данных.

[0017] Опционально, маркеры могут быть того типа, который известен как маркеры радиочастотной идентификации (RFID), которые служат в качестве пассивных датчиков температуры. В некоторых вариантах осуществления маркеры могут собирать энергию из полей ультравысокой частоты (UHF), захватывать энергию и сохранять ее в накопителе энергии (таком как внутренний конденсатор) для использования в качестве источника питания. Маркер может воспринимать температуру, когда заряд накопителя энергии достигает порогового значения (например, в значительной степени или полностью загружен), а затем передавать сигнал с воспринятой температурой вместе с идентификационным кодом для маркера. Например, источник питания для маркера может включать в себя индукционную катушку, расположенную так, чтобы собирать магнитную энергию из поля вблизи обмоток (или других компонентов), когда обмотки работают, и преобразовывать магнитную энергию в напряжение. Возможны и другие конфигурации. В некоторых вариантах осуществления источник питания может включать в себя батарею. В других вариантах осуществления источник питания может быть термоэлектрическим устройством, которое может генерировать напряжение вследствие разности температур между горячей выпускной трубой и воздухом внутри корпуса.

[0018] Сигналы от маркеров принимаются одним или более блоков 350 сбора данных, которые выполнены с возможностью приема сигналов от антенн маркеров восприятия температуры. Каждый блок сбора данных может включать в себя передатчик, процессор и память. Память может содержать программные инструкции, которые, при выполнении, побуждают процессор передавать, с помощью передатчика, сигнал опроса к одному или более из маркеров восприятия температуры. Сигнал опроса может активировать ответ, который будет принимать устройство 350 сбора данных и использовать для определения температуры, воспринимаемой маркером.

[0019] Передача данных между маркерами и блоком сбора данных может происходить с помощью любых подходящих средств. Например, сообщение может использовать радиоволны на VHF или UHF частотах. Если это так, данные восприятия и идентификационные данные датчика для маркера могут быть скомпонованы вместе в короткое сообщение (телеграмму) и отправлены через антенну маркера к передающей станции. Все связанные маркеры/датчики могут работать таким же образом и отправлять телеграмму данных к блоку сбора данных через определенные промежутки времени, например каждые 30 секунд. Это может быть достигнуто путем «слепых» передач, где каждый маркер испускает свой сигнал некоординируемым образом на несущей частоте, общей для всех элементов датчиков. Частота повторения может быть настроена на любое подходящее время, например около 30 секунд. Если сообщения из двух или более датчиков вступают в конфликт, вероятность взаимных помех между сообщениями может быть снижена путем произвольного выбора малых сдвигов времени повторения (добавляемых к основному периоду в ходе предварительной настройки датчика, например, во время сборки) и другой дополнительной малой вариации на каждом датчике на циклической основе. Блок сбора данных может постоянно прослушивать сообщения, идентифицирует отправителя каждого сообщения и собирает данные в пакет для его передачи к блоку автоматики/мониторинга. Альтернативно, все элементы датчиков могут управляться с помощью блока передачи. Если это так, датчики могут не излучать какой-либо сигнал, пока они не опрашиваются сообщением от блока сбора данных. Запуски могут быть координированы, чтобы обеспечивать достаточно времени ожидания для каждого датчика для сбора и накопления достаточной энергии, чтобы быть в состоянии ответить на следующий запрос.

[0020] В различных вариантах осуществления, может быть достаточным собирать значения воспринимаемой температуры в течение периодов времени примерно 30 секунд. Это может быть достаточным в большинстве случаев силовых электронных схем, в которых размер используемых компонентов настолько велик, чтобы ограничивать максимальную крутизну изменения температуры во времени. Другие конфигурации могут потребовать более короткие или более длительные циклы. Принимая 30 секунд в качестве примера, рациональное разделение времени соответствует 1 секунде для передачи данных (предлагаемый верхний предел) и 2 9 секундам для сбора энергии. Если элемент датчика обрабатывает как сбор, так и передачу данных параллельно, то будет возможным непрерывный сбор.

[0021] В то время как некоторые варианты осуществления настоящего изобретения были описаны в данном документе в качестве примера, специалистам в данной области техники будет понятно, что различные модификации, изменения и адаптации описанных вариантов осуществления могут быть реализованы без отклонения от сущности и объема изобретения, определяемого прилагаемой формулой изобретения.

1. Силовое электронное устройство, содержащее:

корпус;

проводящий элемент, расположенный внутри корпуса и рассчитанный на по меньшей мере среднее напряжение;

систему охлаждения во взаимодействии по текучей среде с проводящим элементом, причем система охлаждения включает в себя множество элементов выпускного трубопровода, которые расположены внутри корпуса;

множество маркеров восприятия температуры, при этом каждый из маркеров прикреплен к одному из выпускных трубопроводов и содержит источник питания, датчик температуры и антенну; и

блок сбора данных, содержащий приемник, выполненный с возможностью приема сигналов от антенн маркеров восприятия температуры.

2. Устройство по п. 1, в котором:

проводящий элемент содержит многофазный трансформатор;

каждая фаза трансформатора содержит множество обмоток;

система охлаждения содержит систему водяного охлаждения во взаимодействии по текучей среде с по меньшей мере одной из обмоток.

3. Устройство по п. 1, в котором один или более источников питания содержат батарею.

4. Устройство по п. 1, в котором один или более источников питания содержат термоэлектрическое устройство.

5. Устройство по п. 1, в котором один или более источников питания содержат индукционную катушку, расположенную так, чтобы собирать магнитную энергию из поля вблизи обмоток, когда обмотки работают, и преобразовывать магнитную энергию в напряжение.

6. Устройство по п. 1, в котором один или более источников питания содержат:

антенну, расположенную так, чтобы собрать электромагнитную энергию из поля вблизи обмоток, когда обмотки работают, и преобразовывать электромагнитную энергию в напряжение.

7. Устройство по п. 6, в котором блок сбора данных дополнительно содержит передатчик, процессор и память,

содержащую программные инструкции, выполненные с возможностью инструктировать процессор для передачи, с помощью передатчика, сигнала опроса к одному или более маркерам восприятия температуры.

8. Устройство по п. 1, в котором по меньшей мере один из маркеров восприятия температуры содержит накопитель энергии, выполненный с возможностью хранения заряда, и в котором по меньшей мере один из маркеров восприятия температуры передает идентификатор и данные, представляющие воспринятую температуру, когда накопленный заряд достигает порога.

9. Устройство по п. 1, в котором каждый из маркеров ориентирован так, чтобы располагаться вдоль оси, которая по существу перпендикулярна к оси каждого из соседних с ним маркеров.