新型自冷热管散热整流器及散热方式研究.docVIP

第二届国际水电技术会议论文 新型自冷热管散热励磁整流器的研制应用 黄大可 摘要：针对励磁整流器的强迫风冷散热方式和结构，长期运行中的诸多问题，如风机系统的可靠性、局部循环与整体交换不兼顾、特别是整流器内部集尘问题，以及某些热管散热设计摆脱不了风冷散热的结构模式等应用问题。开展了基于完全自冷散热的新型自冷热管散热方式研究，提出对励磁整流器的热平衡设计和整体配置方案，以及对新方案的散热能力和实际应用效果的评价。证明在常规励磁领域，新型自冷热管散热方式完全具备取代强迫风冷散热的能力，新的设计理念和技术方法，促进了自冷热管整流器的高效应用和性能保证。 关键词：自冷热管散热方式，热平衡设计，励磁整流器整体配置，整流器散热能力 概述 随着大功率电力电子器件的性能提升和功耗下降，以及国产热管散热器技术的日臻成熟，相应的大功率整流器及其散热方式也在发生着变化，一方面向着更大功率的风冷热管散热整流器发展，最大单桥出力可达7kA以上；另一方面向着无风自然冷却热管散热整流器发展，单柜标准出力达1500A，超出力可达2000A以上，最大出力2400A左右，可能完全取代常规风冷铝材散热整流器，并且二者的应用范围基本一致，尤其是对于发电机静止整流器励磁系统，额定1000～7000A的励磁电流范围，完全适合于自冷热管散热整流器的推广应用。采用自冷热管散热方式，可以简化整流器的结构配置，降低了结构成本，不再依赖风机系统作为散热条件，工作的可靠性大幅提高，同时也改善了柜内的集尘问题，大大减轻了维护工作量，实现了大功率整流器的免维护工作状态。选择自冷热管散热的前提条件是，整流器单柜的常规热负荷小于额定热负荷的50%，且额定热负荷小于4kW。但是自冷热管散热器并不是简单的拿来就可以用得好的，必须端正对自冷散热认识上的误区和概念上的转化，再经过精确的计算和设计，合理的选择配置器件参数和整体的热平衡设计，构成一个简捷、高效的大功率自冷散热整流器系统，确保大功率整流器在任何运行条件下的稳定和可靠。 那么如何进行自冷热管散热整流器及散热方式的设计，正是本项科技研究的主题，也是本文所要阐述的重点。 励磁大功率整流器的热平衡设计 围绕发电机励磁系统大功率整流器及其散热方式的研究，其核心就是大功率整流器的热平衡设计，当系统的散热方式、散热能力和参数指标确定以后，再进行具体的器件选型和结构设计，将热设计所要求的技术指标落实到单柜的结构和整体的配置上，以实现大功率整流器的设计目标要求。那么什么是热平衡设计呢？就是要将整流器功率器件正常运行中的发热功耗尽量降低，同时选择对比不同散热方式及其最大的散热效果，控制元器件的工作温度，满足可靠性的要求和最大温升限值。热设计还包括三个层次的区分，即：一、元器件级热设计，已由器件厂商在器件制造中完成，用户只要选择合适的功率器件即可；二、封装级热设计，是对于功率器件与散热器的组合性能的设计，一般由散热器厂商提供性能保障；三、系统级热设计，针对大功率整流器的机箱、机柜及安装环境的设计，也可以再细分为整体热设计和单柜热设计，应该由整流装置的研制者完成的就是系统级的热设计，也是此项研究的重点，见图1。 图1 自冷散热整流器的热平衡设计 P ——整流元件额定发热功耗，即主热源； P1——整流器柜内部其它附加发热量的折算值（1/6）； P2——整流器安装间的空调制冷量，直接影响T4温度； T1——元件结温应≤125℃（ABB 3寸元件，5寸元件110℃）； T2——元件壳温，系主要控制温度，在全工况下T2≤80℃； T3——柜内高点空气温度，系监测启动风机温度T3≤45℃； T4——设备安装间的小环境温度； T5——厂房大环境温度。 热设计的重点就是解决好，虚线框内三个热阻的问题，下面以本项研发的大功率自冷热管散热整流器为例，总结说明一下研发设计的思路和体会。 设计目标：为发电机励磁系统配置性能可靠、参数适用、维护简单、经济合理的大功率整流器。 设计任务： 确定目标参数和技术要求； 选择整体配置方案和散热方式； 作整体的热平衡设计及环境分析考证； 根据N－1原则配置N，设计单柜指标； 单柜的器件选型、热设计和结构设计； 整体方案的设计及整体性能指标的复合、评估、再调整； 辅助散热和配套工装结构的设计。 设计流程：见下图2 图2 自冷散热整流器的热平衡设计流程图 此设计流程落实到具体自冷热管散热整流器的单柜设计，可形成多个规格系列，由800A——1000A——1200A——1500A——1900A最大，单柜功耗在2kW～6kW之间，能够组成当今最强大的（自冷散热）整流器励磁系统。设计的关键是要区别于强迫风冷散热方式，做好环境分析和整体热平衡设计，这是确保单柜散热效率的基础和前提。至于单柜的设计重点就是柜体的散热能力与散热器相匹配，最终体现在