大功率電流源型整流裝置散熱設(shè)計(jì)

閆春樂 ， 簡優(yōu)宗

（1.南瑞集團(tuán)（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司，江蘇南京211106；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京211106）

1 前言

大功率電流源型整流裝置大量應(yīng)用，整流元件的散熱設(shè)計(jì)成為影響設(shè)備效益和壽命的一個(gè)重要因素。目前多采用軟件仿真來進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，但是準(zhǔn)確的仿真需要依賴于精確的仿真模型，很多時(shí)候散熱器廠家和風(fēng)機(jī)廠家無法提供很精確的仿真模型，而是在產(chǎn)品手冊(cè)上提供相應(yīng)的特性曲線。文中用等效熱阻法對(duì)熱源周圍溫度場分布進(jìn)行說明后，介紹了一種通過數(shù)據(jù)解析和曲線擬合求解風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)的方法，可以準(zhǔn)確快捷地進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)，并能夠模擬在風(fēng)道受阻風(fēng)壓增大后的散熱情況。

2 熱源周圍溫度場分布

大功率電流源型整流裝置整流元件常采用壓接式晶閘管，晶閘管二側(cè)與散熱器緊壓在一起，晶閘管產(chǎn)生的熱量通過二側(cè)的散熱器傳遞到空氣中。晶閘管與散熱器連接意圖如圖1所示。熱源為晶閘管內(nèi)核，內(nèi)核與外界空氣之間的溫度場分布可以通過等效熱阻法計(jì)算，溫度場中各段熱阻和溫度點(diǎn)分布圖如圖2所示。

圖1 晶閘管和散熱器連接示意圖

圖2 等效熱阻法計(jì)算各點(diǎn)溫升

各段熱阻二端溫度降符合熱力學(xué)歐姆定律，各點(diǎn)溫度關(guān)系表達(dá)式如下：

其中Ta為環(huán)境溫度，Th為散熱器表面溫度，Tc為晶閘管基板溫度，Tj為晶閘管結(jié)溫。Rjc為晶閘管內(nèi)核到基板之間的熱阻，其值大小與晶閘管生產(chǎn)工藝有關(guān)，在晶閘管產(chǎn)品手冊(cè)中可以查到。Rch為晶閘管基板到散熱器表面之間的熱阻，與壓接情況有關(guān)，在晶閘管產(chǎn)品手冊(cè)中有壓接要求及對(duì)應(yīng)熱阻。Rha為散熱器表面到空氣的熱阻，由散熱器的尺寸、材質(zhì)以及散熱風(fēng)量決定其大小，在選定散熱器后主要取決于通風(fēng)量。

3 散熱設(shè)計(jì)步驟

散熱設(shè)計(jì)的任務(wù)是根據(jù)整流元件工作工況和散熱器特性選擇風(fēng)機(jī)，并校驗(yàn)其性能是否滿足要求。具體步驟如下：

第一步：計(jì)算出功耗P，在晶閘管數(shù)據(jù)說明書上查出熱阻Rjc、Rch，根據(jù)最高允許結(jié)溫Tjmax和環(huán)境溫度 Ta，通過式（1）－式（3）求出散熱器和空氣之間的最大允許熱阻Rha。

第二步：根據(jù)散熱器的熱阻－風(fēng)速曲線，確定最小需要風(fēng)速，根據(jù)有效截面積計(jì)算出風(fēng)量。

第三步：將散熱器風(fēng)壓－風(fēng)量曲線和擬選擇風(fēng)機(jī)風(fēng)壓－風(fēng)量曲線進(jìn)行擬合，判斷工作點(diǎn)風(fēng)量是否滿足要求，最終確定風(fēng)機(jī)。

以下通過樣例進(jìn)行詳述。

3.1 電流源型整流裝置的電量關(guān)系及功耗計(jì)算

電流源型整流裝置與電壓源型整流裝置區(qū)別是直流側(cè)采用電抗器儲(chǔ)能，運(yùn)行過程中直流電流維持恒定。

在三相全控橋式電路中，設(shè)直流側(cè)電流為Id，每個(gè)晶閘管中電流波形如圖3所示。

圖3 電流型整流裝置電流波形

晶閘管損耗分為開關(guān)損耗和通態(tài)損耗，對(duì)于工作頻率為工頻及以下的變流裝置，晶閘管通態(tài)損耗占絕大部分，在工程設(shè)計(jì)中開關(guān)損耗可以忽略。三相全控橋通態(tài)損耗Pcond的計(jì)算公式如下：

其中：V（T0）為晶閘管導(dǎo)通壓降，IAV為電流平均值，IRMS為電流有效值，rT為晶閘管斜率電阻，Id為直流側(cè)電流。

如某軋鋼廠項(xiàng)目電機(jī)工作時(shí)直流電流Id＝3.24kA，選用晶閘管參數(shù)如下：

代入公式（4）計(jì)算得到每個(gè)晶閘管功耗導(dǎo)通損耗為2224W，工程上認(rèn)為熱源功耗P＝2224W。

由于晶閘管最高允許結(jié)溫為125℃，留出安全余量，取目標(biāo)值Tj＝100℃。考慮最嚴(yán)厲的工況環(huán)境溫度 Ta＝45℃。

結(jié)合式（1）－式（3）求得散熱器和空氣間熱阻Rha＝18k/kW。散熱器允許溫升為 P×Rha＝40℃。

3.2 單個(gè)散熱器風(fēng)速和風(fēng)量的確定

按照散熱器廠家給出的資料，擬選散熱器的風(fēng)速－熱阻曲線圖如圖4所示。

圖4 散熱器風(fēng)速－熱阻曲線

從圖4中讀出熱阻18k/kw時(shí)對(duì)應(yīng)風(fēng)速為6m/s。該散熱器有效截面積為s＝0.018m2，求得單個(gè)散熱器需求風(fēng)量為：Q＝v0×s＝0.108m3/s＝389m3/h。

3.3 風(fēng)道特性及風(fēng)機(jī)的選擇

由風(fēng)機(jī)、散熱器特性曲線可知，風(fēng)機(jī)輸出風(fēng)量并非定值，風(fēng)機(jī)與風(fēng)道相互影響，因此在初選風(fēng)機(jī)后需要求出實(shí)際工作點(diǎn)，判斷是否滿足要求。文中通過風(fēng)壓－風(fēng)量關(guān)系曲線擬合方式來求解工作點(diǎn)。

柜內(nèi)風(fēng)道設(shè)計(jì)一般有串聯(lián)風(fēng)道和并聯(lián)風(fēng)道兩種，由于串聯(lián)風(fēng)道二個(gè)散熱器進(jìn)風(fēng)口溫度差別較大，晶閘管溫升相差懸殊，因此常采用并聯(lián)風(fēng)道。其特點(diǎn)是總風(fēng)量等于各散熱器風(fēng)量之和，風(fēng)壓等于一個(gè)散熱器的風(fēng)壓。

設(shè)柜內(nèi)并聯(lián)散熱器數(shù)量為n，一個(gè)散熱器風(fēng)量為Q0，則總風(fēng)量為nQ0。整個(gè)風(fēng)道的風(fēng)壓為進(jìn)風(fēng)窗風(fēng)壓、散熱器風(fēng)壓和回路風(fēng)壓之和。長時(shí)間工作后進(jìn)風(fēng)窗壓力受灰塵影響會(huì)增大，需要在設(shè)計(jì)中根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值增加該部分壓力。

圖5 風(fēng)道的風(fēng)壓－風(fēng)量特性曲線

圖5所示是廠家給出的樣例中選用散熱器的特性和整個(gè)風(fēng)道的風(fēng)壓風(fēng)量曲線圖。其中整個(gè)風(fēng)道曲線考慮了進(jìn)風(fēng)窗風(fēng)阻的影響。

將風(fēng)道的風(fēng)壓風(fēng)量曲線和預(yù)選風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓風(fēng)量曲線在同一張圖中擬合，交叉點(diǎn)即為實(shí)際工作點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際工作點(diǎn)的風(fēng)量是否滿足要求即可判斷風(fēng)機(jī)是否適合。

樣例中所選風(fēng)機(jī)及風(fēng)道曲線擬合如圖6所示，3條曲線分別為風(fēng)機(jī)特性曲線、新風(fēng)道特性曲線，風(fēng)道有一定灰塵后特性曲線。由圖6可見新風(fēng)道下風(fēng)機(jī)工作于A點(diǎn)，總風(fēng)量約2800m3/h，每個(gè)散熱器風(fēng)量為467 m3/h；當(dāng)工作一段時(shí)間，風(fēng)道有灰塵受阻之后，風(fēng)壓增大，風(fēng)機(jī)工作于B點(diǎn)，此時(shí)風(fēng)量為 2600m3/h，每個(gè)散熱器風(fēng)量為 433 m3/h，滿足每個(gè)散熱器風(fēng)量389 m3/h的設(shè)計(jì)要求。

圖6 曲線擬合法求風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

按照上述設(shè)計(jì)生產(chǎn)了一套功率樣柜，在3250A電流下進(jìn)行溫升拷機(jī)實(shí)驗(yàn)，在散熱器貼近晶閘管的地方貼熱敏電阻進(jìn)行溫度檢測。在環(huán)境溫度Ta＝23℃時(shí)連續(xù)拷機(jī)120min，記錄最高溫度數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 溫升實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在額定電流下每個(gè)散熱器的溫升都接近且略低于設(shè)計(jì)目標(biāo)值40℃，說明了該設(shè)計(jì)方法的正確性和合理性。

5 結(jié)束語

采用等效熱阻法分析了熱源周圍的溫度場分布，提出了散熱設(shè)計(jì)的具體步驟和方法，給出了設(shè)計(jì)樣例。最后按照設(shè)計(jì)結(jié)果生產(chǎn)樣柜進(jìn)行溫升拷機(jī)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)值較吻合，表明了文中方法的正確性和合理性，為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供了一套準(zhǔn)確合理的實(shí)用方法。