CN106877786A - 具有智能水冷散热装置的大功率电机调速*** - Google Patents

Abstract

本发明具有智能水冷散热装置的大功率电机调速***，包括多个水冷板、多个温度检测单元、调速水泵、控制单元和户外的热交换器。水冷板内嵌有非均匀分布S形流道，S形流道在与IGBT安装区对应的位置上分布密集，在非IGBT安装区的位置上分布稀疏；在与功率大的IGBT安装区对应的位置上分布密集，在与功率小的IGBT安装区对应的位置上分布稀疏。各个水冷板相互并联，各个温度检测单元与水冷板表面紧密接触，温度检测单元和调速水泵分别与控制单元电相连。本发明还提供了散热装置的控制方法。其优点是：通过控制IGBT安装区内水冷板温度的最高值，大大降低了水冷散热装置的能耗，实现了散热装置冷却水高效利用和提高电机运行可靠性，适用于大功率电机的调速***。

Description

具有智能水冷散热装置的大功率电机调速***

技术领域

本发明涉及电机调速***领域，具体涉及一种具有智能水冷散热装置的大功率电机调速***。

背景技术

现阶段大功率电机调速***大都采用大电流、高电压的IGBT来实现。这些大电流、高电压的IGBT在工作时会产生大量的热量，如不能及时将这些热量带走，会造成IGBT的温升过高，使IGBT出现热损伤，进而造成整个电机调速***的损坏。

目前，大功率电机调速***的散热装置基本采用将冷却水通入具有均匀分布S形流道的水冷板来实现IGBT的降温，这种散热装置存在冷却水利用效率低、能耗大的缺点，不能实现IGBT安装区内水冷板温度的有效控制。

发明内容

本发明目的在于克服传统技术的缺陷，提供一种适用于大功率电机调速***的智能水冷散热装置，通过控制IGBT安装区内水冷板温度的最高值，大大降低水冷散热装置的能耗，最终实现散热装置冷却水高效利用和提高电机运行可靠性的目的。

为达上述目的，本发明具有智能水冷散热装置的大功率电机调速***，包括大电流、高电压IGBT，还包括多个水冷板、多个温度检测单元、调速水泵、控制单元和户外的热交换器；水冷板内嵌有非均匀分布S形流道，S形流道在与IGBT安装区对应的位置上分布密集，在非IGBT安装区的位置上分布稀疏；在与功率大的IGBT安装区对应的位置上分布密集，在与功率小的IGBT安装区对应的位置上分布稀疏；各个水冷板相互并联，水冷板的入水口位于水冷板的底端，出水口位于水冷板的顶部，水冷板的入水口经调速水泵与户外的热交换器出水口相通，水冷板的出水口与户外的热交换器的入水口相通，各个温度检测单元与水冷板表面紧密接触，温度检测单元和调速水泵分别与控制单元电相连，控制单元执行的控制序列包括：

1)初始化；

2)判断采样时刻到否，如果是，执行下一步；如果否，循环执行本步；

3)温度检测单元采集数据；

4)控制单元利用水冷板温度场模型实时估算IGBT安装区内对应位置的温度；

5)获取温度最大值；

6)计算调速指令，当实时温度最大值大于其设定值，或相邻时刻温度最大值的变化率绝对值高于其设定值时，控制单元提高调速水泵的转速，将降低了温度的冷却水输入到水冷板的入水口；若IGBT安装区内水冷板温度的最大值低于其设定值且相邻时刻温度最大值的变化率绝对值不高于温度变化率设定值时，保持调速水泵的转速；若不属于上述两种情况则降低调速水泵的转速；

7)返回第1)步。

本发明具有智能水冷散热装置的大功率电机调速***，其中所述控制序列第6)步包括：设水冷板在三维坐标系上内部各点的温度T＝f(x,y,z,t)，其表达式为：

其中，式中V_x，V_y，V_z为媒介传导速率，p、c分别为水冷板散热体的密度和比热容；T为散热器温度；x，y，z空间三维坐标系；为单位体积上的热生成的能量，k_xx、k_yy和k_zz为修正系数；

控制单元结合水冷板的导热材料的热特性、S形流道的分布方式和IGBT安装区与水冷板的位置关系，获取p、c和的具体数值，通过有限元方法对上述表达式进行求解，从而对表达式中的修正系数k_xx、k_yy和k_zz进行修正，进而获得水冷板温度场模型以及不同位置温度的最大值。

本发明具有智能水冷散热装置的大功率电机调速***，其中所述温度检测单元不少于3个，分别与IGBT安装区在水冷板中的位置相对应。

本发明具有智能水冷散热装置的大功率电机调速***，其中所述水冷板由铝板制成，包括板体和盖，板体与盖配合后采用螺钉相互密封连接。

为达上述目的，本发明提供了具有智能水冷散热装置的大功率电机调速***的控制方法，该方法设置多个水冷板、多个温度检测单元、调速水泵、控制单元和户外的热交换器，其控制方法包括：

1)初始化；

2)判断采样时刻到否，如果是，执行下一步；如果否，循环执行本步；

3)温度检测单元采集数据；

4)控制单元利用水冷板温度场模型实时估算IGBT安装区内对应位置的温度；

5)获取温度最大值；

6)计算调速指令，当实时温度最大值大于其设定值，或相邻时刻温度最大值的变化率绝对值高于其设定值时，控制单元提高调速水泵的转速，将降低了温度的冷却水输入到水冷板的入水口；若IGBT安装区内水冷板温度的最大值低于其设定值且相邻时刻温度最大值的变化率绝对值不高于温度变化率设定值时，保持调速水泵的转速；若不属于上述两种情况则降低调速水泵的转速；

7)返回第1)步。

本发明具有智能水冷散热装置的大功率电机调速***的控制方法，其中所述控制单元控制方法第6)步包括：

设水冷板在三维坐标系上内部各点的温度T＝f(x,y,z,t)，其表达式为：

其中，式中V_x，V_y，V_z为媒介传导速率，p、c分别为水冷板散热体的密度和比热容；T为散热器温度；x，y，z空间三维坐标系；为单位体积上的热生成的能量，k_xx、k_yy和k_zz为修正系数；

控制单元结合水冷板的导热材料的热特性、S形流道的分布方式和IGBT安装区与水冷板的位置关系，获取p、c和的具体数值，通过有限元方法对上述表达式进行求解，从而对表达式中的修正系数k_xx、k_yy和k_zz进行修正，进而获得水冷板温度场模型以及不同位置温度的最大值。

本发明具有智能水冷散热装置的大功率电机调速***的优点是：由于设置了多个具有不均匀分布S形流道的水冷板、与水冷板紧密接触的不少于3个的温度检测单元、调速水泵、控制单元和户外的热交换器，通过控制IGBT安装区内水冷板温度的最高值，大大降低了水冷散热装置的能耗，实现了散热装置冷却水高效利用和提高电机运行可靠性，适用于大功率电机的调速***。

附图说明

图1是水冷板的侧视图；

图2是图1的B-B视图；

图3是图1的A-A视图；

图4是水冷板并联的示意图；

图5为智能水冷散热装置的结构框图；

图6为智能水冷散热装置的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明具有智能水冷散热装置的大功率电机调速***的实施例。

本发明具有智能水冷散热装置的大功率电机调速***,包括大电流、高电压IGBT，还包括多个水冷板、多个温度检测单元、调速水泵、控制单元和户外的热交换器。

在智能散热***中，参照图1至图3，包括板体4和盖3，板体4与盖3配合后采用螺钉相互密封连接。水冷板由铝板制成。水冷板内嵌有非均匀分布S形流道6，S形流道6在与IGBT安装区对应的位置上分布密集，在非IGBT安装区的位置上分布稀疏；在与功率大的IGBT安装区对应的位置上分布密集，在与功率小的IGBT安装区对应的位置上分布稀疏。参照图4，各个水冷板相互并联，水冷板的入水口1位于水冷板的底端，出水口2位于水冷板的顶部。参照图5，水冷板的入水口1经调速水泵与户外的热交换器出水口相通，水冷板的出水口2与户外的热交换器的入水口相通。从水冷板流出的冷却水通过热交换器的主动或强迫风冷散热实现冷却水温度的降低，通过调节水泵将降低温度的冷却水输入到水冷板的入水口1。

温度检测单元用于实时检测水冷板的温度。温度检测单元不少于3个，分别与IGBT安装区在水冷板中的位置相对应。各个温度检测单元与水冷板表面紧密接触，参照图5，温度检测单元和调速水泵分别与控制单元电相连。与水冷板紧密接触的多个温度检测单元可根据IGBT安装区在水冷板中位置进行调整。

下面用实施例来说明本发明具有智能水冷散热装置的大功率电机调速***。

设水冷板在三维坐标系上内部各点的温度T＝f(x,y,z,t)，其表达式为：

其中，式中V_x，V_y，V_z为媒介传导速率，p、c分别为水冷板散热体的密度和比热容；T为散热器温度；x，y，z空间三维坐标系；为单位体积上的热生成的能量，k_xx、k_yy和k_zz为修正系数；

控制单元结合水冷板的导热材料的热特性、S形流道的分布方式和IGBT安装区与水冷板的位置关系，获取p、c和的具体数值，通过有限元方法对上述表达式进行求解，从而对表达式中的修正系数k_xx、k_yy和k_zz进行修正，进而获得水冷板温度场模型以及不同位置温度的最大值。

参照图6，控制单元执行的控制序列，即控制方法包括：

1)初始化；

2)判断采样时刻到否，如果是，执行下一步；如果否，循环执行本步；

3)温度检测单元采集数据；

4)控制单元利用水冷板温度场模型实时估算IGBT安装区内对应位置的温度；

在本发明具有智能水冷散热装置的大功率电机调速***的实施例中，结合水冷板的导热材料的热特性、S形流道的分布方式和IGBT安装区与水冷板的位置关系，利用有限元的分析方法构建水冷板温度场原始模型；通过比对IGBT不同工作电流下由温度场初步模型获得的温度值与由热成像获得的温度值，不断对水冷板温度场模型进行修正，进而获得能准确反映水冷板温度场精确模型。

5)获取温度最大值；

6)计算调速指令，当实时温度最大值大于其设定值，或相邻时刻温度最大值的变化率绝对值高于其设定值时，控制单元提高调速水泵的转速，将降低了温度的冷却水输入到水冷板的入水口；若IGBT安装区内水冷板温度的最大值低于其设定值且相邻时刻温度最大值的变化率绝对值不高于温度变化率设定值时，保持调速水泵的转速；若不属于上述两种情况则降低调速水泵的转速；

7)返回第1)步。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (6)

1.一种具有智能水冷散热装置的大功率电机调速***，包括大电流、高电压IGBT，其特征在于：还包括多个水冷板、多个温度检测单元、调速水泵、控制单元和户外的热交换器，其中，所述水冷板内嵌有非均匀分布S形流道，所述S形流道在与IGBT安装区对应的位置上分布密集，在非IGBT安装区的位置上分布稀疏；在与功率大的IGBT安装区对应的位置上分布密集，在与功率小的IGBT安装区对应的位置上分布稀疏；各个所述水冷板相互并联，所述水冷板的入水口(1)位于水冷板的底端，出水口(2)位于水冷板的顶部，所述水冷板的入水口(1)经所述调速水泵与所述户外的热交换器出水口相通，所述水冷板的出水口(2)与户外的热交换器的入水口相通，各个所述温度检测单元与所述水冷板表面紧密接触，所述温度检测单元和所述调速水泵分别与所述控制单元电相连，所述控制单元执行的控制序列包括：

1)初始化；

2)判断采样时刻到否，如果是，执行下一步；如果否，循环执行本步；

3)温度检测单元采集数据；

4)控制单元利用水冷板温度场模型实时估算IGBT安装区内对应位置的温度；

5)获取温度最大值；

6)计算调速指令，当实时温度最大值大于其设定值，或相邻时刻温度最大值的变化率绝对值高于其设定值时，控制单元提高调速水泵的转速，将降低了温度的冷却水输入到水冷板的入水口；若IGBT安装区内水冷板温度的最大值低于其设定值且相邻时刻温度最大值的变化率绝对值不高于温度变化率设定值时，保持调速水泵的转速；若不属于上述两种情况则降低调速水泵的转速；

7)返回第1)步。

2.根据权利要求1所述的具有智能水冷散热装置的大功率电机调速***，其特征在于：其中所述控制序列第6)步包括：设水冷板在三维坐标系上内部各点的温度T＝f(x,y,z,t)，其表达式为：

$\frac{\∂}{\∂x}\left(k_{xx}\frac{\∂T}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(k_{yy}\frac{\∂T}{\∂y}\right)=\frac{\∂}{\∂z}\left(k_{zz}\frac{\∂T}{\∂z}\right)+\stackrel{\·\·\·}{q}=pc\frac{dT}{dt}$

其中，式中V_x，V_y，V_z为媒介传导速率，p、c分别为水冷板散热体的密度和比热容；T为散热器温度；x，y，z空间三维坐标系；为单位体积上的热生成的能量，k_xx、k_yy和k_zz为修正系数；

控制单元结合水冷板的导热材料的热特性、S形流道的分布方式和IGBT安装区与水冷板的位置关系，获取p、c和的具体数值，通过有限元方法对上述表达式进行求解，从而对表达式中的修正系数k_xx、k_yy和k_zz进行修正，进而获得水冷板温度场模型以及不同位置温度的最大值。

3.根据权利要求1或2所述的具有智能水冷散热装置的大功率电机调速***，其特征在于：其中所述温度检测单元不少于3个，分别与IGBT安装区在所述水冷板中的位置相对应。

4.根据权利要求3所述的具有智能水冷散热装置的大功率电机调速***，其特征在于：其中所述水冷板由铝板制成，包括板体(4)和盖(3)，所述板体(4)与所述盖(3)配合后采用螺钉(5)相互密封连接。

5.一种具有智能水冷散热装置的大功率电机调速***的控制方法，其特征在于：该方法设置多个水冷板、多个温度检测单元、调速水泵、控制单元和户外的热交换器，其控制方法包括：

1)初始化；

2)判断采样时刻到否，如果是，执行下一步；如果否，循环执行本步；

3)温度检测单元采集数据；

4)控制单元利用水冷板温度场模型实时估算IGBT安装区内对应位置的温度；

5)获取温度最大值；

6)计算调速指令，当实时温度最大值大于其设定值，或相邻时刻温度最大值的变化率绝对值高于其设定值时，控制单元提高调速水泵的转速，将降低了温度的冷却水输入到水冷板的入水口；若IGBT安装区内水冷板温度的最大值低于其设定值且相邻时刻温度最大值的变化率绝对值不高于温度变化率设定值时，保持调速水泵的转速；若不属于上述两种情况则降低调速水泵的转速；

7)返回第1)步。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：其中所述控制单元控制方法第6)步包括：

设水冷板在三维坐标系上内部各点的温度T＝f(x,y,z,t)，其表达式为：

$\frac{\∂}{\∂x}\left(k_{xx}\frac{\∂T}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(k_{yy}\frac{\∂T}{\∂y}\right)=\frac{\∂}{\∂z}\left(k_{zz}\frac{\∂T}{\∂z}\right)+\stackrel{\·\·\·}{q}=pc\frac{dT}{dt}$

其中，式中V_x，V_y，V_z为媒介传导速率，p、c分别为水冷板散热体的密度和比热容；T为散热器温度；x，y，z空间三维坐标系；为单位体积上的热生成的能量，k_xx、k_yy和k_zz为修正系数；

控制单元结合水冷板的导热材料的热特性、S形流道的分布方式和IGBT安装区与水冷板的位置关系，获取p、c和的具体数值，通过有限元方法对上述表达式进行求解，从而对表达式中的修正系数k_xx、k_yy和k_zz进行修正，进而获得水冷板温度场模型以及不同位置温度的最大值。