牵引变流装置的温度监测系统和方法

专利名称：牵引变流装置的温度监测系统和方法
技术领域：
本发明涉及车辆牵引变流装置技术领域，特别涉及一种牵引变流装置的 温度监测系统和方法。
背景技术：
目前，随着轨道交通的快速发展，各种电力机车或内燃机车等普遍采用
大功率的牵引变流装置，例如绝缘4册双极晶体管(Insulate Gate Bipolar Transistor, IGBT)牵引变流器。
牵引变流装置一般由脉冲整流器、直流滤波电路、逆变器、真空交流接 触器等主电路设备和无触点控制装置、控制电源等控制电路设备构成，上述 设备都组装于一个箱体内，以减小设备组装后占用的空间。这样的设备配置 虽然可以满足轻量化和结构紧凑要求，但是设备运行时，由于单位体积内的 热流量增大，使得设备散热问题更为突出，因此，牵引变流装置通常需要冷 却系统进行冷却和温度监测系统进行温度监测。
一般来说，牵引变流装置的温度监测系统是在牵引变流装置的主要发热 部分，例如，脉冲整流器的功率模块、逆变器的功率模块上或它们的散热器 上设置温度检测和控制装置并设定统一的温度安全值，当设备运行时的实际 温度超过设定的安全值时，自动断开牵引变流装置的主电路，起到过温保护 的作用，以确保设备运行的安全。
然而，对于目前的牵引变流装置而言，上述温度监测系统并不能完全有 效的对牵引变流装置中的各个电器设备进行监测，有时脉冲整流器的功率模 块过热损坏后，逆变器的功率模块却正常；其次，即使脉冲整流器的功率模 块和逆变器的功率模块被过温保护，还是会有其他的电器设备因温度过高而 损坏，从而影响牵引变流装置的可靠性。

发明内容
本发明解决的问题是提供一种牵引变流装置的温度监测系统和方法，能 够有效的对牵引变流装置中的各个电器设备进行温度监测，提高牵引变流装置运行的可靠性。
为解决上述问题，本发明提供一种牵引变流装置的温度监测系统，所述
牵引变流装置包括脉冲整流器和逆变器，所述温度监测系统包括
设置于所述脉冲整流器的功率模块上的第一温度监测装置，
设置于所述逆变器的功率^^莫块上的第二温度监测装置；
所述第一温度监测装置和第二温度监测装置分别根据所述脉冲整流器的 功率模块和逆变器的功率模块的不同发热量，具有不同的预设温度安全值。
所述第一温度监测装置包括第一温度继电器和将所述第 一温度继电器 固定于脉冲整流器的功率模块的发热表面的安装部件。
所述第二温度监测装置包括第二温度继电器和将所述第二温度继电器 固定于逆变器的功率模块的发热表面的安装部件。
所述安装部件包括垫圈、绝缘板和固定螺钉，所述硅橡胶垫圈位于绝 缘板与第 一温度继电器或第二温度继电器之间，所述固定螺钉连接于所述脉 冲整流器的功率模块的发热表面或逆变器的功率模块的发热表面、将所述绝 缘板、垫圈和第一温度继电器或第二温度继电器固定。
所述牵引变流装置还包括位于功率模块的安装侧的设备室内的电阻、传 感器、控制箱，所述温度监测系统还包括第三温度监测装置，所述第三温度 检测装置位于所述的设备室内。
所述第三温度监测装置与第一温度监测装置和/或第二温度监测装置并联 连接。
所述脉冲整流器的功率;f莫块和逆变器的功率;f莫块设有散热器，则所述第 一温度继电器或第二温度继电器与所述散热器固定连接，所述发热表面为所 述散热器的散热面。
相应的，本发明还提供一种牵引变流装置的温度监测方法，包括
分别获得所述牵引变流装置中各个电器设备正常工作条件下所承受的最将所述各个最高温度分别设为所述各个电器设备对应的温度安全值； 分别监测所述各个电器设备的实际温度；
分别判断所述各个电器设备的实际温度是否到达对应的温度安全值； 如果是，则断开牵引变流装置的主电路。
所述各个电器设备包括脉冲整流器、逆变器和设备室内的电阻、传感 器、控制箱。
与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点
所述的温度监测系统和方法，针对脉冲整流器的功率模块和逆变器的功 率模块设定不同的温度安全值，而现有技术中的温度监测系统仅有一个统一 的温度安全值，上述技术方案分别监测脉冲整流器的功率模块和逆变器的功 率模块的实际温度，根据各自的实际温度与其对应的温度安全值进行比较和 判断，当实际温度高于对应的温度安全值的时候，即断开牵引变流装置的主 电路进行过热保护，这样，可以根据不同功率模块的不同发热量区别进行过 热保护，从而提高设备运行的可靠性。


通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在 全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩 放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1为实施例一中牵引变流装置的内部冷却系统示意图2为实施例一 中牵引变流装置的温度监测系统和外部冷却系统示意图3为实施例一中所述第一温度监测装置的分解结构示意图4为实施例二中牵引变流装置的内部冷却系统和温度监测系统的示意图。
具体实施例方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图 对本发明的具体实施方式
做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发 明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面 公开的具体实施例的限制。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便 于说明，表示装置结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意 图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包 含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为突出本发明的特点，附图中没有给出与本发明的发明点必然直接相关
的部分，例如，牵引变流装置所在的箱体、机车车体，智能功率模块或IGBT 模块、二极管、緩冲电容器、緩冲电阻器、门极接口电路板、层压板母线或 低感母排、平衡电阻器和滤波电容器等。
目前，牵引变流装置一般由脉沖整流器、直流滤波电路、逆变器、真空 交流接触器等主电路设备和无触点控制装置、控制电源等控制电路设备构成， 上述设备都组装于一个箱体内，以减小设备组装后占用的空间。这样的设备 配置虽然可以满足轻量化和结构紧凑要求，但是设备运行时，由于单位体积 内的热流量增大，使得设备散热问题更为突出，因此，牵引变流装置通常需 要冷却系统进行冷却和温度监测系统进行温度监测。
一般来说，牵引变流装置的温度监测系统是在牵引变流装置的主要发热 部分，例如，脉冲整流器的功率模块、逆变器的功率模块上或它们的散热器 上设置温度检测和控制装置并设定统一的温度安全值，当设备运行时的实际 温度超过设定的安全值时，自动断开牵引变流装置的主电路，起到过温保护 的作用，以确保设备运行的安全。
然而，对于目前的牵引变流装置而言，上述温度监测系统并不能完全有 效的对牵引变流装置中的各个电器设备进行监测，有时脉冲整流器的功率模 块过热损坏后，逆变器的功率模块却仍正常；其次，即使脉冲整流器的功率 模块和逆变器的功率模块被过温保护，还是会有其他的电器设备因温度过高 而损坏，从而影响牵引变流装置的可靠性。以有时脉冲整流器的功率模块过热损坏后，逆变 器的功率模块却仍正常，是因为牵引变流装置的各个电器设备发热量不同， 而其正常工作所承受的温度也不同，但是传统的温度监测系统仅对所有的电 器设备均设定相同的温度安全值，因此造成有的电器设备已经烧坏而有的电 器设备还未达到温度安全值，影响了牵引变流装置的可靠性。
基于此，本发明的实施例提供一种牵引变流装置的温度监测系统和方法， 针对脉冲整流器的功率模块和逆变器的功率模块分别设定各自的温度安全 值，能够有效的对牵引变流装置中的各个电器设备进行温度监测，提高牵引 变流装置运行的可靠性。
以下结合附图详细说明本发明所述温度监测系统的 一个实施例。
实施例一
图1为本实施例中牵引变流装置的内部冷却系统示意图；图2为本实施 例中牵引变流装置的温度监测系统和外部冷却系统示意图。
所述牵引变流装置，设置于一封闭的箱体中，包括
位于所述箱体中央的功率单元，位于所述箱体侧面的内冷单元，以及包 括外部冷却系统和内部冷却系统的冷却系统，还有用于对牵引变流装置进行 温度监测的温度监测系统。
参照图1和图2所示，所述外部冷却系统，设置在所述功率单元附近， 通过与箱体外界进行热交换对所述功率单元散热；所述内部冷却系统，设置 在所述内冷单元附近，通过与所述外部冷却系统进行热交换对所述内冷单元 散热。
所述功率单元包括脉沖整流器功率模块和逆变器功率^t块，这部分也 即牵引变流装置主要的发热部分。
其中，所述脉冲整流器功率模块和逆变器功率模块包括智能功率模块 (IPM, Intelligent Power Module )或IGBT模块、二极管、緩冲电容器、緩冲 电阻器、门极接口电路板、层压板母线或低感母排、平衡电阻器和滤波电容 器。内冷单元包括电阻、传感器、控制箱。所述内冷单元是指牵引变流装 置中、由内部冷气系统冷却的电器设备。
上述功率单元和内冷单元的电器设备配置例如为采用单相电压三点式 PWM脉冲整流器和三相电压三点式PWM逆变器，箱体中包括U相、V相脉 冲整流器功率模块和U相、V相、W相逆变器功率模块；将脉冲整流器功率 模块和逆变器功率模块设置在箱体的中央，以便于集中配置电源设备；内冷 单元中的电阻、传感器、控制箱等分散在箱体中的特定位置。真空接触器、 继电器单元和无触点控制装置等配置于箱体前侧，以便于集中检查。
如图2所示，本实施例中，所述牵引变流装置的温度监测系统包括
设置于所述脉冲整流器的功率模块上的第 一温度监测装置，
设置于所述逆变器的功率模块上的第二温度监测装置；
所述第一温度监测装置和第二温度监测装置分别根据所述脉冲整流器的 功率模块和逆变器的功率模块的不同发热量，具有不同的预设温度安全值。
正是因为牵引变流装置的脉冲整流器的功率模块和逆变器的功率才莫块发 热量不同，而它们正常工作时所承受的最高温度也不同，因此可以所述最高 温度分别作为各自的温度安全值。
所述第一温度监测装置包括第一温度继电器和将所述温度继电器固定 于脉冲整流器的功率模块的发热表面的安装部件。
所述第二温度监测装置包括第二温度继电器和将所述温度继电器固定 于逆变器的功率模块的发热表面的安装部件。
所述发热表面为功率模块的半导体元器件的外表面。优选的，功率模块 上设置有散热器，则所述发热表面为所述散热器的散热面。
图3为所述第一温度监测装置示意图，如图3所示，第一温度监测装置 包括第 一温度继电器和将所述温度继电器固定于脉冲整流器的功率模块的 发热表面的安装部件，该发热表面至散热器(图中未示出)的散热面，也即 图中蒸发部的外表面。
如图3所示，所述安装部件包括垫圈(例如硅橡胶垫圈)、绝缘板和固定螺钉，所述垫圈位于绝缘板与第一温度继电器之间，所述固定螺钉连接于 所述脉冲整流器的功率模块(图中未示出)的发热表面(即图中蒸发部的外 表面)、将所述绝缘板、垫圏和第一温度继电器固定。
该第一温度监测装置采用密闭构造，不需要内部维护和检查。为进行温 度安全值确认等需要取下第一温度继电器时，可通过松开螺钉，卸下垫圏和 绝缘板，可以大大方便安装和操作。
所述第二温度监测装置的组成和结构与所述第一温度监测装置类似，区 别在于，两者温度继电器的动作温度不同，也即发生过热保护的温度安全值 不同。
本实施例中，所述牵引变流器的温度监测方法，采用所述温度监测系统
进行温度监测，该方法包括
分别获得所述牵引变流装置中脉冲整流器的功率模块和逆变器的功率才莫 块正常工作条件下所承受的最高温度；
将所述各个最高温度分别设为所述脉冲整流器的功率模块和逆变器的功 率模块对应的温度安全值；
分别监测所述脉沖整流器的功率模块和逆变器的功率模块的实际温度；
分别判断所述脉冲整流器的功率模块和逆变器的功率模块的实际温度是 否到达对应的温度安全值；
如果是，则温度继电器断开牵引变流装置的主电路。
以上所述的温度监测系统和方法，针对脉冲整流器的功率模块和逆变器 的功率模块设定不同的温度安全值，分别监测脉沖整流器的功率模块和逆变 器的功率模块的实际温度，根据各自的实际温度与其对应的温度安全值进行
比较和判断，当实际温度高于对应的温度安全值的时候，即断开牵引变流装 置的主电路进行过热保护，从而提高设^^运行的可靠性。
本实施例中冷却系统实质是采用风冷原理。所述箱体外壁上具有进风口 和出风口，如图1所示，所述内部冷却系统包括:辅鼓风机，风道和热管换 热器。其中，
10所述辅鼓风机，位于所述内冷单元的上游，用于向所述内冷单元输送气 流，所述气流将内冷单元的热量带至所述热管换热器的受热端，功率模块的 车侧设置主鼓风机，所述主鼓风机例如为双叶轮电动鼓风机，向功率模块送 风。
所述风道，连通所述热管散热器的受热端和辅鼓风机，用于将流经所述 热管换热器的受热端的气流输送回辅鼓风^L。
所述热管换热器，其受热端位于所述内冷单元的下游，其散热端位于所 述外部冷却系统中。
如图2所示，所述外部冷却系统包括:分流装置，主鼓风机和排风通道。 其中，
所述分流装置，位于进风口下游，用于将进风口进入的气流分流至所述
热管换热器的散热端和主鼓风^L,
所述主鼓风机，位于所述功率单元上游，用于向所述功率单元输入气流，
所述排风通道，位于所述功率单元的下游，用于把流经所述功率单元的 气流输送至排风口。
所谓的上游、下游是按照冷却系统工作时送风气流的流动方向。
下面介绍上述牵引变流装置中冷却系统的工作原理。
所述冷却系统分为内部冷却系统和外部冷却系统两大部分，前者主要为 电阻、传感器、控制箱等所谓的内冷单元冷却、降温，后者主要为功率单元 冷却、降温。外部冷却系统与箱体的外界直接进行热交换，而内部冷却系统
和外部冷却系统这两大冷却系统通过热管换热器进行热交换。图1和图2分 别示出所述内部冷却系统和外部冷却系统。
在内部冷却系统中，辅鼓风机向分散在密闭室内的电阻、传感器、控制 箱等所谓内冷单元吹风，气流使热量被传至热管换热器的受热端，由受热端 再传至散热端，而被外部冷却系统带走；然后独立的风道将流经所述热管换 热器的受热端的气流输送回辅鼓风机，由辅鼓风机循环的吹向内冷单元。在 内部冷却系统里的空气被循环利用，没有箱体外的气流进入，这样就大大减少了箱体内的积灰，也能有效地将热量带走。
在外部冷却系统中，由进风口进入箱体内的空气被下游的分流装置分为 两部分， 一部分流向热管换热器的散热端，带走内部冷却系统中的热量，然
后再进入主鼓风才几；另一部分空气则直4妄进入主鼓风才几，由主鼓风才几吹向主
要的发热部分功率单元，例如为脉冲整流器功率模块和逆变器功率模块，将 功率单元的热量由出风口带出箱体。
可见，上述牵引变流装置通过整体上配置功率单元和内冷单元在箱体中 的位置，由内部冷却系统和外部冷却系统分别对内冷单元和功率单元进行散 热，而内部冷却系统中的没有箱体外的空气流入，^f又与外部冷却系统进^f亍热 交换对所述内冷单元散热，外部冷却系统直接对功率单元进行散热，如此以 来，无论对设置相对集中的功率单元，还是设置相对分散的电阻、传感器、 控制箱等所谓内冷单元，能够从整体上进行散热，控制电器设备的温升，而 且，由于内部冷却系统中没有外界空气的进入，可以避免灰尘积聚的问题， 从而提高牵引变流装置运行的可靠性。
优选的，所述进风口处还具有空气过滤器，外界空气先经过空气过滤器 后再进入分流装置，空气过滤器将空气中的灰尘和杂质留在过滤器上以净化 空气，进一步防止箱体内灰尘的积聚。
优选的，所述外部冷却系统还包括与所述功率单元的发热部分连接的散 热器，用于给所述功率单元中发热部分释放热量。所述功率单元的发热部分
为脉冲整流器功率模块和逆变器功率模块，例如，智能功率模块或IGBT模块、 二极管、緩冲电容器、緩冲电阻器、门极接口电路板、层压板母线或低感母 排、平衡电阻器和滤波电容器等。散热器能够使发热部分的热量充分释放， 以便被气流带走，提高散热效率。
所述散热器可以为热管冷却装置，优选的，所述散热器采用沸腾冷却器 (或均温板)。此沸腾冷却器采用内存制冷容器外壁直接接触元件的强化散热 方式，可有效提高IPM (或IGBT)断开性能(降低主电路配线电感)，增强 装置冷却性能、减小体积、降低重量。蒸发部外壁面直接接触元件，外壁面 吸收的元件热量传递到内壁面后用于内部制冷剂沸腾，滞腾产生的蒸汽被直接导向数量众多的散热片组成的冷凝部。蒸汽放出汽化潜热并液化，在重力 作用下流回蒸发部。上述循环可以实现高于热管冷却装置几倍的冷却性能， 从而有效降低质量。所述沸腾冷却器中，制冷剂选用替代氟利昂，属于非氟 利昂系制冷剂，既高效，又可以避免对环境的破坏。
上述实施例中，真空接触器、继电器单元和无触点控制装置等位于箱体 的4全查面侧，实际上它们也可作为内冷单元，由内部冷却系统进行散热，也
即内冷单元还包括真空接触器、继电器单元和无触点控制装置。上述电器 设备虽然分散于箱体侧面不同的位置，但是均可以由辅鼓风机、独立的风道 和热管换热器组成的内部冷却系统进行散热，其散热原理与实施例一相同， 在此不再赘述。
与脉沖整流器和逆变器的温度监测装置并联连接设备室内的温度监测装 置，可以进一步提高可靠性，具体在以下实施例中说明。
实施例二
图4为本实施例中牵引变流装置的内部冷却系统和温度监测系统的示意图。
如图4所示，对于目前的牵引变流装置而言，其发热部分不仅有脉沖整 流器的功率模块和逆变器的功率模块，而除此之外的电器设备，例如电阻、 传感器、控制箱、真空接触器、继电器单元和无触点控制装置(图中未示出) 等也会发出较大的热量，辅助鼓风机对电阻、传感器、控制箱等进行冷却。
为防止所述辅助鼓风机故障引起功率模块的半导体元件安装侧的密闭室 (设备室)内温度上升，从而导致电器设备误动作，可以设置第三温度监测 装置，从而进一步提高牵引变流装置的可靠性。
如图4所示，本实施例与实施例一的区别在于，所述牵引变流装置还包 括位于所述功率模块安装侧的设备室内的(即半导体元件的安装侧)电阻、 传感器、控制箱，则本实施例中所述温度监测系统还包括第三温度监测装置， 所述第三温度监测装置位于所述设备室内。所述第三温度监测装置与实施例 一 中的第 一 、第二温度监测装置的组成 和结构相同，包括第二温度继电器和将所述第二温度继电器固定的安装部件 区别在于，温度继电器的动作温度不同，也即发生过热保护的温度安全值不 同。
该第三温度监测装置的温度安全值与所述设备室内的电器设备的发热量 有关。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上 的限制。
虽然本发明已以较佳实施例纟皮露如上，然而并非用以限定本发明。任何 熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上 述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或 修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，
均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
1权利要求
1、一种牵引变流装置的温度监测系统，所述牵引变流装置包括脉冲整流器和逆变器，其特征在于，所述温度监测系统包括设置于所述脉冲整流器的功率模块上的第一温度监测装置，设置于所述逆变器的功率模块上的第二温度监测装置；所述第一温度监测装置和第二温度监测装置分别根据所述脉冲整流器的功率模块和逆变器的功率模块的不同发热量，具有不同的预设温度安全值。
2、 根据权利要求1所述的牵引变流装置的温度监测系统，其特征在于， 所述第 一温度监测装置包括第 一温度继电器和将所述第 一温度继电器固定 于脉冲整流器的功率模块的发热表面的安装部件。
3、 根据权利要求1所述的牵引变流装置的温度监测系统，其特征在于， 所述第二温度监测装置包括第二温度继电器和将所述第二温度继电器固定 于逆变器的功率模块的发热表面的安装部件。
4、 根据权利要求2或3所述的牵引变流装置的温度监测系统，其特征在 于，所述安装部件包括垫圈、绝缘板和固定螺钉，所述硅橡胶垫圈位于绝 缘板与第一温度继电器或第二温度继电器之间，所述固定螺钉连接于所述脉 沖整流器的功率模块的发热表面或逆变器的功率模块的发热表面、将所述绝 缘板、垫圏和第一温度继电器或第二温度继电器固定。
5、 根据权利要求1所述的牵引变流装置的温度监测系统，其特征在于， 所述牵引变流装置还包括位于功率模块的安装侧的设备室内的电阻、传感器、 控制箱，所述温度监测系统还包括第三温度监测装置，所述第三温度检测装 置位于所述的设备室内。
6、 根据权利要求5所述的牵引变流装置的温度监测系统，其特征在于， 所述第三温度监测装置与第一温度监测装置和/或第二温度监测装置并联连 接。
7、 根据权利要求2或3所述的牵引变流装置的温度监测系统，其特征在 于，所述脉沖整流器的功率模块和逆变器的功率模块设有散热器，则所述第 一温度继电器或第二温度继电器与所述散热器固定连接，所述发热表面为所述散热器的散热面。
8、 一种牵引变流装置的温度监测方法，其特征在于，包括分别获得所述牵引变流装置中各个电器设备正常工作条件下所承受的最 南温度；将所述各个最高温度分别设为所述各个电器设备对应的温度安全值； 分别监测所述各个电器设备的实际温度；分别判断所述各个电器设备的实际温度是否到达对应的温度安全值； 如果是，则断开牵引变流装置的主电路。
9、 根据权利要求8所述牵引变流装置的温度监测方法，其特征在于，所 述各个电器设备包括脉冲整流器、逆变器和设备室内的电阻、传感器、控制箱。
全文摘要
本发明提供一种牵引变流装置的温度监测系统和方法，所述牵引变流装置包括脉冲整流器和逆变器，所述温度监测系统包括设置于所述脉冲整流器的功率模块上的第一温度监测装置，设置于所述逆变器的功率模块上的第二温度监测装置；所述第一温度监测装置和第二温度监测装置分别根据所述脉冲整流器的功率模块和逆变器的功率模块的不同发热量，具有不同的预设温度安全值。采用所述牵引变流装置的温度监测系统和方法，能够有效的对牵引变流装置中的各个电器设备进行温度监测，提高牵引变流装置运行的可靠性。
文档编号G01K13/00GK101451892SQ200910076610
公开日2009年6月10日 申请日期2009年1月9日 优先权日2009年1月9日
发明者杰 丁, 张曙光, 张秋红, 徐景秋, 陈燕平, 马伯乐 申请人:铁道部运输局;株洲南车时代电气股份有限公司