CN109417860A - 用于模块化换流器的单元模块 - Google Patents
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Abstract
用于模块化换流器的单元模块(10)，单元模块(10)包括：封壳(12)，具有导电性材料的壁区段(20)和在壁区段(20)中的开口(36)；至少一个内部冷却导管(28)，用于将介电冷却流体分配到布置在封壳(12)内的电子组件(18)和/或由此处分配介电冷却流体；至少一个介电材料的外部冷却导管(26)，用于将介电冷却流体递送到封壳(12)之外的区域或由此处递送介电冷却流体；以及至少一个导电性材料的连接构件(34)，将至少一个内部冷却导管(28)连接到相应的外部冷却导管(26)，以通过开口(36)在电子组件(18)与封壳(12)之外的区域之间建立流体连接；其中至少一个连接构件(34)和壁区段(20)处于相同的电位；并且其中至少一个连接构件(34)被设置在封壳(12)的壁区段(20)之内并且靠近封壳(12)的壁区段(20)。
Description
技术领域
本公开一般地涉及用于模块化换流器的单元模块。特别地，提供了一种用于模块化换流器的单元模块以及模块化换流器，单元模块包括在单元模块的封壳之内的至少一个导电性材料的连接构件。
背景技术
模块化类型的换流器(如模块化多电平换流器(MMC))允许构建具有比这些模块内可见的内部电位电平高得多的电压电平的换流器。模块化换流器拓扑结构(如模块化多电平换流器)使用在特定电压电平下操作的开关单元。开关单元被串联连接以增加换流器端子之间的操作电压。关于绝缘，这导致由单元DC电压所确定的对机械模块之内绝缘的要求。另一方面，到地的绝缘是由最大***电压所确定，该最大***电压应在换流器端子处实现。这些要求可能比单元模块内的要求强得多。为了保证工业设备的足够使用寿命，关于绝缘距离和材料的设计必须以避免针对常规设备操作的局部放电的方式而进行。一旦超过一定的电场强度，就会发生局部放电，这取决于绝缘材料。
高功率模块通常被去离子水冷却，以实现紧凑的设计。在这种情况下，除了信号电缆之外，冷却回路的导管还将模块连接到接地电位上的其他设备。为了避免局部放电，已知针对导管和/或导管与模块之间的连接而使用隔离材料。一些现有技术的单元模块被设计成使得水传导隔离管与单元模块的金属部件之间的距离被延长以降低电场强度，以避免局部放电。
WO 2014048680A1公开了一种电绝缘复合导管，以用于引导介电冷却流体，以冷却功率电子器件。该复合导管包括两个导电管区段，以及用于连接管区段的介电材料的电绝缘导管区段。两个管区段的端部区段被嵌入绝缘导管区段的绝缘材料中，使得当管区段处于不同的电位时，管区段之间的最高场强的区域位于电气绝缘的导管区段的介电材料内。
发明内容
对于用穿过金属表面的导管中的去离子水来冷却的单元模块，归因于冷却水的导电性而可能会出现问题。尽管去离子水的导电率可能很低，但它远高于其中运送去离子水的导管的隔离材料的导电率。连接单元模块中的金属部件和接地部件(或单元模块中的金属部件与接地部件之间的点)的导管的水含量类似于电阻器。导管内的去离子水的电位在单元模块中的金属部件与接地部分之间减小。因此，如果隔离材料的导管被连接到单元模块内的金属连接点，则去离子水内的电位在穿过单元模块的表面时可能比单元模块的电位更接近接地电位。结果，在去离子水与单元模块结构之间可能发生高电位差，存在引起局部放电的风险。
此外，对于现有技术的单元模块，其被设计成使得水传导隔离管和单元模块的金属部件之间的距离被延长以降低电场强度，以避免局部放电，隔离管与单元模块的金属部件之间所需的距离可能很长。这不仅对单元模块的紧凑性造成问题，而且单元模块的金属封壳对于单元模块内的所有器件相对于由其他设备源产生的不希望的电场的屏蔽效果可能会被降低。这些类型的现有技术单元模块的另一个缺点是必须由隔离固定件将导管精确地引导通过单元模块。
本公开的一个目的是提供具有延长寿命的单元模块。
本公开的另一个目的是提供一种具有降低局部放电风险的单元模块。
本公开的另一个目的是提供一种具有紧凑、简单和/或便宜设计的单元模块。
根据一个方面，提供了一种用于模块化换流器的单元模块，该单元模块包括：封壳，该封壳具有导电性材料的壁区段和在该壁区段中的开口；至少一个内部冷却导管，以用于将介电冷却流体分配到被布置在封壳内的电子元件和/或从被布置在封壳内的电子元件分配介电冷却流体；至少一个介电材料的外部冷却导管，以用于将介电冷却流体递送到封壳之外的区域或从封壳之外的区域递送介电冷却流体；以及至少一个导电性材料的连接构件，将至少一个内部冷却导管连接到相应的外部冷却导管，以通过开口在电子元件与封壳之外的区域之间建立流体连接；其中至少一个连接构件和壁区段处于相同的电位；并且其中至少一个连接构件被设置在封壳的壁区段之内并且靠近该封壳的壁区段。
归因于连接构件设置在封壳的壁区段之内并且靠近封壳的壁区段，封壳的壁区段与邻近壁区段的至少一个外部冷却回路之内的介电冷却流体之间仅存在小的电位差。因此，可以显著减小至少一个外部冷却导管与封壳的壁区段之间的距离，并且可以避免或减轻对昂贵的隔离固定材料的需求。而且，单元模块的设计可以被制成更紧凑。
封壳可包括若干壁以形成大致箱形外观。不仅是壁区段，而且封壳的所有壁都可以由导电性材料(例如，金属)制成。封壳可包括多个接收室或接收区段，每个接收室或接收区段被设计成用于接收一个或多个电子组件。在整个本公开中，封壳可备选地被称为机柜(cabinet)或壳体。
壁区段可以由封壳的壁或壁的一部分构成。壁区段可具有基本上平坦的外观。
根据一个变型，单元模块包括两个外部冷却导管，例如，入口外部冷却导管和出口外部冷却导管。两个外部冷却导管可以由壁区段中的开口所包围。入口外部冷却导管可以被流体地连接到冷却***的入口流动管线，而出口外部冷却导管可以被流体地连接到冷却***的出口流动管线。
两个外部冷却导管可以通过两个连接构件或通过装置或接头连接构件被连接到相应的两个内部冷却导管。入口外部冷却导管可以通过入口连接构件被连接到入口内部冷却导管，而出口外部冷却导管可以通过出口连接构件被连接到出口内部冷却导管。入口内部冷却导管和出口内部冷却导管可以由相同导管的两个区段构成，即分别由待被冷却的电子组件的上游区段和电子组件的下游区段构成。
在整个本公开中，术语“之内”和“之外”指的是分别更靠近和更远离单元模块内的电子组件的位置的位置。本文中所涉及的封壳之外的区域可以例如由至少一个外部冷却导管与相应的入口流动管线或出口流动管线之间的接合部构成。
至少一个连接构件可以例如由金属制成和/或可以具有基本上圆柱形的外观。至少一个连接构件可以沿着连接构件的轴向方向被部分地定位在至少一个内部冷却导管与相应的外部冷却导管之间。至少一个连接构件可以周向地包围外部冷却导管。此外，至少一个连接构件可以与封壳的壁区段电接触，例如经由导电性材料的内部支撑结构。
电介质冷却流体可以由各种类型的低导电率的冷却流体构成。例如，介电冷却流体可以由去离子水构成。
至少一个外部冷却导管可以由各种类型的介电材料构成，并且可以是刚性的或柔性的。备选地，外部冷却导管可以被称为管、软管或隔离水导向器。
至少一个连接构件的外表面可以与壁区段的内部表面基本齐平。例如，至少一个连接构件的外表面与壁区段的内部表面之间的距离可小于50mm，诸如小于20mm，诸如小于5mm，包括0mm。
至少一个连接构件的外表面可以具有平坦的外观，并且可以与壁区段的内部表面基本平行。在连接构件具有圆柱形外观的情况下，外表面可以由圆柱体的一个端侧构成。在整个本公开中，基本上垂直/平行的关系包括完全垂直/平行的关系，以及与完全垂直/平行关系的偏差达5％，诸如达2％。
至少一个外部冷却导管可包括被连接到连接构件的基本上直的区段。例如，在单元模块包括两个外部冷却导管的情况下，入口外部冷却导管的基本上直的区段可以被连接在入口连接构件与入口流动管线的接合部之间，并且出口外部冷却导管的基本直的区段可以被连接在出口连接构件与出口流动管线的接合部之间。至少一个外部冷却导管的基本上直的区段可以基本上垂直于壁区段。
至少一个连接构件的外表面与壁区段的内部表面之间的距离可小于至少一个外部冷却导管的基本上直的区段的长度的10％，诸如小于5％，诸如小于2％，诸如小于1％。
至少一个内部冷却导管可以由导电性材料制成，并且可以被导电地连接到封壳。例如，至少一个内部冷却导管可以由金属管构成。
如果单元模块包括内部支撑结构，则至少一个内部冷却导管可以由导电性材料制成，并且可以被导电地连接到内部支撑结构。例如，至少一个内部冷却导管可以与内部支撑结构机械接触。
至少一个连接构件可以由相应的内部冷却导管的端部区段构成。因此，至少一个连接构件可以与一个或多个内部冷却导管一体地成形。
至少一个外部冷却导管可以由两个外部冷却导管构成，外部冷却导管由壁区段中的开口包围。备选地，专用的开口可与每个外部冷却导管相关联。因此，单元模块可以包括与外部冷却导管相关联的多于一个的开口，或者在封壳的相同的壁区段或不同的壁区段中。
封壳的壁区段可以由金属板构成。在封壳具有箱形外观的情况下，几个壁可以由金属板构成。壁可以例如被焊接在一起或者由整块金属板折叠。
壁区段中的开口可以由金属板的一个或多个折叠界定。每个折叠可包括一个或多个弯曲轮廓或弯曲部。每个弯曲轮廓反过来可具有大致弧形的外观。例如，一个或多个折叠可以由具有近似180°的角度延伸的连续弯曲部构成。备选地，每个折叠可包括两个近似90°的弯曲部和互连的直的部分。
可以通过切割和向内折叠金属板来创建开口。可以以这种方式切割和折叠片材而不去除任何材料。
单元模块还可包括被布置在封壳内的电子组件。电子组件可以由换流器单元构成。单元模块可包括被布置在封壳内的至少两个电子组件。
根据另一方面，提供了一种模块化换流器，其包括根据本发明的多个单元模块。
附图说明
通过以下结合附图的实施例，本公开的进一步细节、优点和方面将变得显而易见，其中：
图1：示意性地表示了单元模块的正视图；
图2：示意性地表示了另一单元模块的正视图；
图3：示意性地表示了壁区段的放大的正视图；以及
图4：示意性地表示了图3中的壁区段的俯视图。
具体实施方式
在下文中，将描述用于模块化换流器的单元模块以及模块化换流器，单元模块包括在单元模块的封壳内的至少一个导电性材料的连接构件。相同的附图标记将被用于表示相同或相似的结构特征。
图1示意性地表示了单元模块10的正视图。单元模块10包括大致箱形外观的封壳12。封壳12的外结构由金属板的壁14制成。封壳12还包括以金属型材形式的内部支撑结构16，以用于支撑电子组件18。电子组件18可以例如由换流器单元构成。
可以在封壳12内提供一个或多个电子组件18。单元模块10构成包括多个单元模块10的模块化换流器(未示出)的一部分。
图1中的下壁14构成壁区段20。然而，壁区段20备选地可仅由下壁14的一部分构成。从图1中可以看出，壁区段20具有平坦的外观。
图1还示出了用于提供电介质冷却流体以冷却电子组件18的冷却***的一部分，该冷却***包括入口流动管线22、出口流动管线24、介电材料的两个外部冷却导管26、以及导电性材料的两个内部冷却导管28。入口外部冷却导管26在接合部30处被连接到入口流动管线22，并且被流体地连接到入口内部冷却导管28(即，电子组件18的上游)。出口外部冷却导管26与出口内部冷却导管28(即，电子组件18的下游)流体连接，并且在接合部32处被连接到出口流动管线24。
在图1中，每个外部冷却导管26包括基本上垂直于壁区段20的基本上直的区段。然而，例如在外部冷却导管26中的弯曲部可以设置在直的区段之外(即，在其下方)，例如，靠近相应的接合部30、32。
单元模块10还包括两个导电性材料连接构件34，其连接外部冷却导管26和相应的内部冷却导管28，以提供流体连接。外部冷却导管26穿过壁区段20中的开口36，并且进入封壳12的内部。在图1中，两个连接构件34和壁区段20处于相同的电位，并且入口流动管线22和出口流动管线24处于接地电位。
尽管介电流体的导电率非常低，但介电流体的导电率远高于运送介电流体的外部冷却导管26的绝缘材料的导电率。因此，外部冷却导管26内的介电流体内容物被连接在接地电位上的组件(即入口流动管线22或出口流动管线24)与不同电位上的组件(即，高电位上的连接构件34)之间。因此，该流体内容物用作电阻器。
例如，如果出口外部冷却导管26具有恒定的直径，则出口连接构件34与接地接合部32之间的电位沿着距离38线性地减小。在外部冷却导管26的直径(或其他横截面形状)不同的情况下，电位的分布不是线性的，但是这种现象通常不会改变。由于连接构件34被设置在封壳12内相当远的位置，如由距离40所示，当穿过开口36时，介电冷却流体的电位可以比壁区段20的电位更接近地电位。因此，在介电冷却流体与壁区段20之间可能出现高电位差，其具有引起局部放电的风险。
为了避免或减轻局部放电的这种风险，每个外部冷却导管26与壁区段20之间的距离42必须很大，和/或必须提供昂贵的绝缘固定材料。
图2示意性地表示了另一单元模块10的正视图。将描述与图1的主要不同之处。在图2中，连接构件34仍然被设置在封壳12的壁区段20之内，但是与图1相比被设置得显著更靠近壁区段20。因此，当穿过开口36时，外部冷却导管26内的介电冷却流体的电位更接近壁区段20的电位。结果，降低了局部放电的风险，并且可以减小壁区段20与相应的外部冷却导管26之间的距离42。
图2中的连接构件34由导电性材料(例如金属)制成，并且每个都具有基本上圆柱形的外观。内部冷却导管28也被延伸，以便在连接构件34与壁区段20之间(经由内部支撑结构16)设置电连接。每个连接构件34包括基本上平坦的外表面44(图2中的下表面)，其基本上与壁区段20平行。
通过比较图1和图2，可以看出，在图2中，连接构件34的外表面44与壁区段20的内部表面46之间的距离40被显著减小。图2中(未示出)的该距离可以小于50mm，诸如小于20mm，诸如小于5mm，包括0mm。该距离可以根据连接构件34的半径而变化。在该距离为0mm的情况下，归因于壁区段20的厚度，连接构件34的外表面44仍将被设置在壁区段20的外部表面内。
此外，每个连接构件34的外表面44与壁区段20的内部表面46之间的距离(参见图1中的距离40，图2中未示出)可小于每个外部冷却导管26的基本上直的区段的距离的10％(参见图1中的距离38，图2中未示出)。
尽管图2中的连接构件34被附接到相应的内部冷却导管28，但是这些组件可以整体成形(例如金属)。
图3和4示意性地表示了已经相对于图2修改的壁区段20的放大视图(分别是正视图和俯视图)。
电场强度一方面由电位差和具有电位差的导电性材料之间的距离所确定的，但在另一方面也由处于不同的电位的导电性材料的表面结构所确定的。利用具有绝对平坦表面的两个平行导电板(忽略边缘效应)实现了给定距离和电位差下的最低场强。可以看到最高的电场强度具有相同的距离和电位差，其具有彼此指向的两个针尖。
尽管利用根据图2的单元模块10，外部冷却导管26内的介电冷却流体与壁区段20之间的电位差可以保持相当小，但是靠近外部冷却导管26的壁区段20的尖锐边缘可能会增加电场。因此，如图3和4所示，壁区段20中的开口36可以由金属板的一个或多个折叠48所界定。通过切割形成或将形成壁区段20的金属板、并且将金属板的末端部分向内折叠到单元模块10中(图3中向上)来提供折叠48。因此，开口36的整个区域没有被切割掉。因此，在最靠近外部冷却导管26的壁区段20中产生自然半径，这降低了电场强度。以这种方式，可以进一步降低开口36处的局部放电的风险，并且因此允许甚至更小的距离42和单元模块10的甚至更紧凑的设计。
在图3和4中，开口36具有由四个折叠48所界定的大致矩形的外观。每个折叠48包括具有近似180°的角度延伸的连续弯曲部。每个折叠48可备选地包括两个弯曲部，每个弯曲部近似90°，以及中间直的部分。
虽然参考示例性实施例已经描述了本公开，但是应理解的是，本发明不限于上面所描述的内容。例如，应理解的是，部件的尺寸可以根据需要改变。因此，本发明旨在可以仅由所附权利要求的范围所限制。
Claims (15)
1.一种用于模块化换流器的单元模块(10)，所述单元模块(10)包括：
-封壳(12)，具有导电性材料的壁区段(20)以及在所述壁区段(20)中的开口(36)；
-至少一个内部冷却导管(28)，用于将介电冷却流体分配到被布置在所述封壳(12)内的电子组件(18)、和/或从被布置在所述封壳(12)内的所述电子组件(18)分配所述介电冷却流体；
-至少一个介电材料的外部冷却导管(26)，用于将所述介电冷却流体递送到所述封壳(12)之外的区域、或者从所述封壳(12)之外的所述区域递送所述介电冷却流体；以及
-至少一个导电性材料的连接构件(34)，将所述至少一个内部冷却导管(28)连接到相应的外部冷却导管(26)，以通过所述开口(36)在所述电子组件(18)与所述封壳(12)之外的所述区域之间创建流体连接；
其中所述至少一个连接构件(34)和所述壁区段(20)处于相同的电位；并且
其中所述至少一个连接构件(34)被设置在所述封壳(12)的所述壁区段(20)之内、并且靠近所述封壳(12)的所述壁区段(20)。
2.根据权利要求1所述的单元模块(10)，其中所述至少一个连接构件(34)的外表面(44)与所述壁区段(20)的内部表面(46)基本上齐平。
3.根据权利要求1或2所述的单元模块(10)，其中所述至少一个外部冷却导管(26)包括被连接到所述连接构件(34)的基本上直的区段。
4.根据权利要求3所述的单元模块(10)，其中所述至少一个连接构件(34)的外表面(44)与所述壁区段(20)的内部表面(46)之间的距离(40)小于所述至少一个外部冷却导管(26)的所述基本上直的区段的长度(38)的10％。
5.根据前述权利要求中任一项所述的单元模块(10)，其中所述至少一个内部冷却导管(28)由导电性材料制成、并且被导电性地连接到所述封壳(12)。
6.根据权利要求5所述的单元模块(10)，还包括内部支撑结构(16)，其中所述至少一个内部冷却导管(28)由导电性材料制成、并且被导电性地连接到所述内部支撑结构(16)。
7.根据权利要求5或6所述的单元模块(10)，其中所述至少一个连接构件(34)由相应的所述内部冷却导管(28)的端部区段构成。
8.根据前述权利要求中任一项所述的单元模块(10)，其中所述至少一个外部冷却导管(26)由被所述壁区段(20)中的所述开口(36)包围的两个外部冷却导管(26)构成。
9.根据前述权利要求中任一项所述的单元模块(10)，其中所述壁区段(20)由金属板构成。
10.根据权利要求9所述的单元模块(10)，其中所述开口(36)由所述金属板的一个或多个折叠(48)界定。
11.根据权利要求9或10所述的单元模块(10)，其中通过切割和向内折叠所述金属板来创建所述开口(36)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的单元模块(10)，还包括被布置在所述封壳(12)内的电子组件(18)。
13.根据权利要求12所述的单元模块(10)，其中所述电子组件(18)由换流器单元构成。
14.根据权利要求12或13所述的单元模块(10)，其中所述单元模块(10)包括被布置在所述封壳(12)内的至少两个电子组件(18)。
15.一种模块化换流器，包括多个根据前述权利要求中任一项所述的单元模块(10)。
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