变流器的加热除湿回路及其控制方法与流程

本发明属于风力发电的技术领域，尤其是涉及一种变流器的加热除湿回路及其控制方法。

背景技术：

现在主流的风力发电机组变流器功率模块所使用的电力电子器件为IGBT模块，IGBT模块内部核心部件是IGBT芯片，其封装在硅胶内部，用以解决芯片绝缘问题。但IGBT芯片对温度比较敏感，在运行过程中需处于比较适宜的温度环境中，如果温度较高或较低，就存在着损坏的风险。

在现有风力发电机组中，低温和高湿是常见的环境类型，为解决在高湿或低温环境、特别是长时间停机或待机状态下启动风机，功率模块因为受潮或低温而造成损坏的情况，现有的解决方案最多是对功率模块所在的空间增加机械式温度和湿度控制器，并控制在同一区域内的加热器工作。在低温或高湿的环境中是加热器带电加热，并为同一区域内空气及功率模块加热，降低相对湿度。

但是这种方式具有一下局限性和不足：

对于功率模块因为受潮并且在长时间停电或待机的状态下而损坏的情况，分析其主要是由于长期处于较低温度未运行状态，封装严密的IGBT模块在与散热器的接触面缝隙中有湿气进入，再经过多日的昼夜温差变化，在缝隙内部形成凝露并与硅胶融合，造成IGBT模块内部绝缘性能下降，造成损坏。普通的加热器加热，会使IGBT模块周围环境的温度迅速升高而相对湿度迅速降低，然而IGBT模块内部温度并没有迅速增高，与硅胶融合的凝露未排除甚至还处于液态，环境湿度已降低到很低状态，从而停止加热，事实状态是其并未解决IGBT模块内部凝露的问题，而损坏危险依然存在。

另外功率模块在低温情况下长时间停电或待机而损坏也有同样的情况，加热器只对IGBT模块的环境和模块外表进行加热，IGBT模块只有外壳温度增加，其在硅胶包围的内部芯片温度依然处于较低温度，启机同样存在损坏危险。

再有，若去掉温湿度的机械开关，改为时间继电器定时长的长期加热，虽然靠时间的积累，可以将IGBT模块内部水分蒸发并提高温度，但这样会增加启机时间，降低风力发电机组的发电量，特别是在湿度并不高、温度并不低的季节或者只进行短期断电网电源的维护，都需要同等的加热时间，更是损失了大量的发电量。

技术实现要素：

本发明为解决了现有的技术问题，而提供一种适合在高湿和低温环境中，风力发电机组长时间停电或待机状态下，功率模块具有受潮和低温启动损坏情况的变流器的加热除湿回路及其控制方法。

本发明为解决现有技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

本发明的变流器的加热除湿回路，包括控制器回路、功率模块回路和提供电源的供电回路，以及分别与控制器回路和功率模块回路连接的控制器加热电阻和功率模块加热电阻；控制器加热电阻设置在变流器内部的控制器周围，控制器回路控制控制器加热电阻对控制器进行加热除湿，控制器回路连接并控制控制器工作；功率模块加热电阻设置在变流器内部的功率模组散热器上，控制器通过温度传感器发出的信号连接控制功率模块回路，功率模块回路控制功率模块加热电阻对功率模块散热器进行加热除湿，功率模块回路连接并控制功率模块工作。

所述的控制器回路包括并联连接的第一机械式湿度开关和第二机械式温度开关，以及第一接触器和第二接触器；

所述的第一机械式湿度开关和第二机械式温度开关均包括第一触点、第二触点和第三触点；

第一机械式湿度开关和第二机械式温度开关的第一触点均与第一接触器连接，第一接触器连接控制器加热电阻；

第一机械式湿度开关和第二机械式温度开关的第二触点均与第二接触器连接，第二接触器的第一触头端接入控制器的供电支路中，第二接触器的第二触头端与第一机械式湿度开关和第二机械式温度开关并联连接；

第一机械式湿度开关和第二机械式温度开关的第三触点与第一接触器和第二接触器接入供电回路。

所述的第一机械式湿度开关和第二机械式温度开关设置在控制器周围，第一机械式湿度开关的湿度变化点为80%，第二机械式温度开关的温度变化点为零下15摄氏度。

所述的功率模块回路包括中间继电器、第三接触器、第四接触器；

所述的中间继电器与控制器连接并接入控制器的供电支路中，中间继电器的触头端包括动触点、第一定触点和第二定触点；

第一定触点连接第三接触器，第三接触器连接功率模块加热电阻；

第二定触点连接第四接触器，第四接触器的第一触头端接入功率模块的供电支路中，第四接触器的第二触头端并联在中间继电器的动触点和第二定触点间；

动触点与第三接触器和第四接触器接入供电回路。

所述的控制器回路和功率模块回路与供电回路的L端间分别设有保护开关，

一种变流器的加热除湿控制方法，包括以下步骤

步骤一，当电网电源断电或变流器停机时，控制器计时；

步骤二，判断控制器周围的湿度是否高于湿度临界值，温度是否低于温度临界值；若是，启动第一接触器，使控制器加热电阻对控制器进行加热除湿，直至控制器周围的湿度低于湿度临界值，温度高于温度临界值；若否，进行下一步；

步骤三，电网和控制器再次上电，或风机向控制器发送启机信号，记录时间，计算停机时长，并向中间继电器发送信号0；

步骤四，判断功率模块的环境温度是否低于启动温度临界值；若是，根据环境温度确定加热固定时长，启动第三接触器，使功率模块加热电阻对功率模块进行固定时长的加热，直至环境温度高于启动临界值；若否，进行下一步；

步骤五，根据停机时长，启动第三接触器，使功率模块加热电阻对功率模块进行相应时长的加热除湿，使功率模块的环境湿度高于启动湿度临界值；

步骤六，结束对功率模块的加热，并向中间继电器发送信号1，变流器正常工作。

所述的步骤二中，第一机械式湿度开关检测控制器周围的湿度，第二机械式温度开关检测控制器周围的温度。

所述的步骤二中，湿度临界值为80%，温度临界值为零下15摄氏度。

所述的步骤五中，先判断停机时长是否小于10分钟，若是，进入步骤六；若否，判断停机时长是否小于2小时，若是，加热10分钟；若否，判断停机时长是否小于5小时，若是，加热30分钟，若否，加热1小时。

本发明具有的优点和积极效果是：

本发明的变流器在高湿或低温环境中，且长时间停电或待机状态下，利用控制器控制加热除湿回路，在安全的前提下，对控制器和功率模块进行加热除湿，主动控制控制器和功率模块的温度，并在最适合的温度下启动，极大地减少控制器和功率模块损坏的风险，更加方便和直接，加热效率高，加热过程智能化，减少并合理利用启机时间，避免浪费风力发电机组的发电量，增加风力发电机组发电效率。

附图说明

图1是本发明的电路示意图；

图2是本发明的流程示意图；

图3是本发明步骤五的流程示意图。

其中：C：控制器 Rt：温度传感器

ST1：第一机械式湿度开关 ST2：第二机械式温度开关

KM1：第一接触器 KM2：第二接触器

KM3：第三接触器 KM4：第四接触器

K：中间继电器。

具体实施方式

以下参照附图及实施例对本发明进行详细的说明。

如图1所示，本发明的变流器的加热除湿控制回路，包括控制器回路、功率模块回路和提供电源的供电回路，以及分别与控制器回路和功率模块回路连接的控制器加热电阻和功率模块加热电阻；控制器加热电阻设置在变流器内部的控制器C周围，控制器回路控制控制器加热电阻对控制器进行加热除湿，控制器回路连接并控制控制器工作；功率模块加热电阻设置在变流器内部的功率模组散热器上，控制器通过温度传感器Rt发出的信号连接控制功率模块回路，功率模块回路控制功率模块加热电阻对功率模块散热器进行加热除湿，功率模块回路连接并控制功率模块工作。

所述的控制器回路包括并联连接的第一机械式湿度开关ST1和第二机械式温度开关ST2，以及第一接触器KM1和第二接触器KM2；

所述的第一机械式湿度开关和第二机械式温度开关均包括第一触点1、第二触点2和第三触点3；

第一机械式湿度开关和第二机械式温度开关的第一触点均与第一接触器连接，第一接触器连接控制器加热电阻；

第一机械式湿度开关和第二机械式温度开关的第二触点均与第二接触器连接，第二接触器的第一触头端接入控制器的供电支路中，第二接触器的第二触头端与第一机械式湿度开关和第二机械式温度开关并联连接；

第一机械式湿度开关和第二机械式温度开关的第三触点与第一接触器和第二接触器接入供电回路。

所述的第一机械式湿度开关和第二机械式温度开关设置在控制器周围，第一机械式湿度开关的湿度变化点为80%，第二机械式温度开关的温度变化点为零下15摄氏度。

所述的功率模块回路包括中间继电器K、第三接触器KM3、第四接触器KM4；

所述的中间继电器与控制器连接并接入控制器的供电支路中，中间继电器的触头端包括动触点11、第一定触点12和第二定触点14；

第一定触点连接第三接触器，第三接触器连接功率模块加热电阻；

第二定触点连接第四接触器，第四接触器的第一触头端接入功率模块的供电支路中，第四接触器的第二触头端并联在中间继电器的动触点和第二定触点间；

动触点与第三接触器和第四接触器接入供电回路。

所述的控制器回路和功率模块回路与供电回路的L端间分别设有保护开关，

如图2所示，一种变流器的加热除湿控制方法，包括以下步骤

步骤一，当电网电源断电或变流器停机时，控制器计时；

步骤二，判断控制器周围的湿度是否高于湿度临界值，温度是否低于温度临界值；若是，启动第一接触器，使控制器加热电阻对控制器进行加热除湿，直至控制器周围的湿度低于湿度临界值，温度高于温度临界值；若否，进行下一步；

步骤三，电网和控制器再次上电，或风机向控制器发送启机信号，记录时间，计算停机时长，并向中间继电器发送信号0；

步骤四，判断功率模块的环境温度是否低于启动温度临界值；若是，根据环境温度确定加热固定时长，启动第三接触器，使功率模块加热电阻对功率模块进行固定时长的加热，直至环境温度高于启动临界值；若否，进行下一步；

步骤五，根据停机时长，启动第三接触器，使功率模块加热电阻对功率模块进行相应时长的加热除湿，使功率模块的环境湿度高于启动湿度临界值；

步骤六，结束对功率模块的加热，并向中间继电器发送信号1，变流器正常工作。

所述的步骤二中，第一机械式湿度开关检测控制器周围的湿度，第二机械式温度开关检测控制器周围的温度。

所述的步骤二中，湿度临界值为80%，温度临界值为零下15摄氏度。

如图3所示，所述的步骤五中，先判断停机时长是否小于10分钟，若是，进入步骤六；若否，判断停机时长是否小于2小时，若是，加热10分钟；若否，判断停机时长是否小于5小时，若是，加热30分钟，若否，加热1小时。

本发明的为解决IGBT功率模块内部芯片加热问题，两个加热电阻安装于IGBT功率模块贴合的散热器上，使用功率模块散热的逆过程，为散热器加热，由于为IGBT功率模块内部芯片散热，其与散热器热交换功率较高，故为电阻供电后加热会比较直接的为封装芯片加热，以使芯片本身温度增高，并将其周围距离较近的凝露水分蒸发掉。

ST1为机械式湿度传感器开关，ST2为机械式温度传感器开关，K1为控制器控制的24V中间继电器，第一接触器KM1为控制器加热电阻的电源开关，第二接触器KM2为控制器电源开关，第三接触器KM3为控制功率模块加热电阻电源的接触器，第四接触器KM4为控制功率模块电源的接触器，其中第二接触器和第四接触器均有自锁功能，供电回路为市电供电路线，控制器只有加热固定时间以后，控制器才控制中间继电器，断开第三接触器即功率模块加热电阻电源，给第四接触器即功率模块电源上电，之后变流器便可正常启机工作。

在高湿和低温环境中,风电机组在上电以后，控制器电子电路板件中的电容、电源和芯片等器件由于耐低温和耐高湿能力较差，应当首先对控制器进行加热除湿处理，第一机械式湿度开关ST1湿度变化点设置为80%，由于控制器低温启动的适宜温度为零下20摄氏度，考虑机械温度开关精度较差，将第二机械式温度开关ST2温度变化点设置为零下15摄氏度，并将第一机械式湿度开关和第二机械式温度开关设置在控制器周围。当温度过低或湿度过高的情况下，第一机械式湿度开关和第二机械式温度开关的第三触点与第一触点连接，供电回路供电，第一接触器KM1通电，使控制器附近的控制器加热电阻开始工作，控制器周围环境温度提高，湿度降低，第一机械式湿度开关和第二机械式温度开关的第三触点与第二触点连接，供电回路供电，第二接触器KM2通电，第二接触器的第一触头端使控制器接通电源的24V端和0V端，控制器启动。考虑控制器启机后，通电器件都会有热量散出，可以保证控制器正常运行，第二接触器KM2的第二触头端闭合，第二接触器KM2实现自锁直到供电回路的L端和N端断电。

为使功率模块回路智能化加热除湿，合理利用启机时间，故将功率模块回路由变流器内部的控制器进行控制，此控制器供电电源为不间断电源并且内部含有计时器。首先，根据与控制器连接的温度传感器测量功率模块的环境温度，根据低温启动试验的试验经验数据和上电时刻的温度，决定给出功率模块加热电阻所需供电时间。在加热过程中，控制器控制中间继电器使其动触点与第一定触点连接，供电回路供电，第三接触器KM3通电，使安装在功率模块散热器上的功率模块加热电阻对其加热，提高功率模块封装芯片的温度，并将其周围凝露水分蒸发，同时，第四接触器不通电，功率模块本身不工作，保证功率模块安全。加热到达时间后，再利用控制器输出的信号控制中间继电器K1，使中间继电器动触点与第二定触点连接，供电回路供电，第四接触器KM4通电，闭合功率模块的供电支路中第四接触器的第一触头端，功率模块启动并正常工作，变流器正常启机运行。

对于变流器处于高湿环境中停机或停电，无法得知功率模块受潮的情况，为合理利用启机时间，利用控制器内部时间计时器，对停机或停电时刻进行计时，记录上电时刻的时间差，计算出停机时长，根据加热除湿试验的经验数据，对不同的停机时长对应出功率模块加热电阻所需供电时间，例如停机时长小于10分钟就不进行加热，停机时长大于10分钟且小于2小时就加热10分钟，停机时长大于2小时且小于5小时就加热30分钟，停机时长大于5小时就加热1小时，以便更好地提高功率模块封装芯片的温度，并将其周围凝露水分蒸发，然后再利用控制器输出的信号控制中间继电器，闭合功率模块的供电支路中第四接触器的第一触头端闭合，功率模块启动并正常工作，变流器正常启机运行。

这样便可以根据风机停电或停机的时间长度和启机当时功率模块的环境温度，判断功率模组凝露和温度恶劣情况而进行相应时间的加热，便可以优化变流器启机时间，另外策略中加热时间和停机时间的对应可以更加具体和详细，这样对启机时间优化程度更佳。

本发明的变流器在高湿或低温环境中，且长时间停电或待机状态下，利用控制器控制加热除湿回路，在安全的前提下，对控制器和功率模块进行加热除湿，主动控制控制器和功率模块的温度，并在最适合的温度下启动，极大地减少控制器和功率模块损坏的风险，更加方便和直接，加热效率高，加热过程智能化，减少并合理利用启机时间，避免浪费风力发电机组的发电量，增加风力发电机组发电效率。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。