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1、大功率自冷热管散热整流器的热平衡设计新型热管整流器及散热方式研究报告1. 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；另一方面向着无风自冷热管散热整流器发展，以其可能完全取代常规风冷铝材散热整流器，而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，10005000A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，工作的可靠性大大提高，同时也改善了柜内的集尘问
2、题，减轻了维护工作量。如此改造应用的综合效益和长期效果是很好的，但是自冷热管散热器并不是谁拿来就可以用得好的，必须纠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，合理的配置器件参数和整体的热平衡，才能构成一个简捷、高效的自冷散热整流器系统，确保大功率整流器在任何条件下运行的稳定可靠。那么如何进行自冷热管散热整流器及散热方式的设计，正是本项研究的主题，也是本文所要解答的问题。2. 励磁大功率整流器的设计目标、任务和流程围绕发电机励磁系统大功率整流器及其散热方式的研究设计，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
3、设计，将热设计所要求的技术指标落实到单柜和整体的结构配置上，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？就是要将功率器件正常运行中的发热功耗尽量降低，同时对选定的散热方式求得最大的散热效果，控制器件的工作温度满足可靠性的要求和最大限值。热设计还有三个层次的区分，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；三为系统级热设计，包括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设计。下面以所研发的大功率自冷热管散热整流器为例，说明一下研发设计的思路和体会。设计目标：
4、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：u 确定目标参数和技术要求；u 选择整体配置方案和散热方式；u 作整体的热平衡设计及环境分析考证；u 根据N1原则设计单柜指标；u 单柜的器件选型、热设计和结构设计；u 整体方案及性能指标的复合、评估、再调整；u 辅助散热和配套结构的设计。设计流程：见下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800A1000A1200A1500A1900A最大，单柜功耗在2KW6KW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
5、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，最终体现在结构和工艺设计上，而不仅仅是选用什么热阻的散热器问题，热阻也是在一定的条件下由足够的散热流量来保证的，自冷散热虽不像风冷散热对流阻的要求较高，但也不可忽视流阻的影响，由于自冷散热完全靠热力的自然对流，其热力形成的压差很小，相对于散热器流阻的作用影响很大，流阻越小，对流越通畅，散热效果就好；流阻越大，对流量就要减小，散热效率降低。同时还应该考虑体积、形状和重量，以及绝缘水平、机械强度和造价成本等相关因素，这样才能将一个好的散热器配合一套好的散热结构，发挥出最大的散热能力。并形成一套整体的与环境协
6、调的最佳的整流器组合，在工业现场的表现能与实验室里一样的好，这才是成功的大功率整流器及其散热方式的设计。3. 励磁整流器的散热方式选择比较和参数选配单柜散热风量Q小于1000m3/h，对应的功耗和出力为6KW/1900A，即可以采用自冷热管散热的配置方式；单柜散热风量Q大于1000m3/h，小于3000m3/h，对应的功耗和出力为10KW/2800A，则可采用自冷辅助风冷散热的配置方式；单柜散热风量Q大于3000m3/h，必须采用强迫风冷散热的配置方式；如果整流器单柜经常工作在2000A左右，长期开启辅助风扇的，则应加强配置正式的风机散热；例如：平时运行工况单柜出力550A，则要求介质的温升不
7、大于10，设计标准按5计算，对应的散热风量为6001200m3/h，正好介于自冷和辅助风冷之间。而且这个散热风量是确保整流器稳定运行的关键，与采用何种整流元件和散热器关系不大，主要取决于整流器的结构设计、热阻和流阻，特别是流阻，流阻小散热风量就有保证，流阻大散热量就不够，温升就会增加，整流器的运行状况就会恶化。 如果单柜出力达到1000A以上，则散热风量必须提高到10002200m3/h，在这种工况下必须增加辅助风的散热措施。若整流器长期工作在此状态，则对辅助风扇的依赖更强、要求更高，设计上应充分考虑到这一点。另外，除了单柜的结构和散热方式以外，还必须注重与设备安装环境的配合，特别要防止热风短
8、路，降低散热效率。以期用最小的交换量，保障整流器的最佳运行状态，这就是整流器散热设计成败的要点。励磁系统整流器经济优化配置一览表额定励磁电流 Ifn/A800100012001500180020002400300036004200450048005000540060006600720075008000单柜额定出力/A配置N=28001000120015001800200024003000S X 机 组配置N=34005006007509001000120015001800210022502400250027003000配置N=4400 500 600 667 800 1000 1200 140
9、0 1500 1600 1667 1800 2000 2200 2400 2500 2667 配置N=5450 500 600 750 900 1050 1125 1200 1250 1350 1500 1650 1800 1875 2000 配置N=6400 480 600 720 840 900 960 1000 1080 1200 1320 1440 1500 1600 配置N=7GZB机组400 500 600 700 750 800 833 900 1000 1100 1200 1250 1333 l 表中单柜额定电流，是指在规定运行条件下，整流元件最大台面标准温升T40K时的单柜出
10、力指标；l 表中黄色区域10001250A的单柜额定出力，应为优先选择的自冷散热范围，而桔黄色区域13001600A的范围，是可作为其超出力或裕量区间；l 而实际配置15001800A以上额定出力的自冷散热整流柜，要增加体积改换元件，其性价比降低，成本却大大增加，所以并不推荐如此配置，况且作1200A的单柜配置完全可以覆盖从1000A6000A的额定励磁电流的需要了；l 同时在满足N1的冗余条件下，选择单柜的最佳配置数量N，N2太少对单柜的指标要求增高，N越大对单柜的指标要求降低，即使像SX这样的巨型机组，当N5或6时，所要求的单柜出力也才八九百安培；l 从满足系统可靠性、灵活性和单柜输出能力
11、综合考虑，应优先选择3N5的整流器配置，如SX机组的最大励磁电流4800A，可以选择单柜1200A，N5的配置，平常运行点每柜800A左右，这是比较经济、高效和安全的配置；l 而GZB的机组17002100A的额定励磁电流，若选N3只要8001000A的单柜出力即可，实际采用自冷热管散热1200A的单柜，留有较大的余量，平时每柜运行在400600A，小于50的额定出力，也是十分轻松安全的配置方式；l 完全自冷散热的方式可以满足大多数运行工况，若发生特殊情况下，还可以自动启动辅助风扇协助散热，并可以大幅度提高单柜出力至2000A左右；l 标准自冷散热的单柜指标，可以优先选用1200A、 1m1m
12、 的标准尺寸，其标称散热能力达3.5kw/1200A、超出力散热4.5kw/1500A、开辅助风散热6.5kw/2000A；l 其中超出力散热4.5kw/1500A指标，可以运用在大多数环境温度在30以下的季节，或者是有空调的环境。总之，要配置一套最适合的整流器系统，必须根据额定励磁电流的需要，综合考虑技术、经济、可靠性和运行方式等相关因素，正确地选择单柜指标和配置数量N即可，并非一味的追求单柜的高出力、高指标，而是均衡的、经济的实现优化配置，不但保证了励磁应用的参数和可靠性，更通过冷却散热方式的改进，彻底的改变了励磁应用的方式、方法和设备的运行环境，实现了大功率整流器免维护、高可靠的运行方式
13、。4. 自冷热管散热整流器的温度配置80500A1.4KW15 600A1.7KW20 1000A3. 0KW30 1200A3. 5KW40 1500A4. 5KW50 1800A5. 8KW60 2100A7. 0KW70 70605040302010自冷热管散热整流器单柜出力发热功耗允许温升T与元件(3寸)壳温上限及环境温度的关系图标准环境温度Tan标准台面温度TcnIPT/0T标称出力可 能 的 运 行 点额定超出力范围当选定的3寸整流元件配以自冷热管散热器，构成了某型自冷散热整流器柜，随着其出力增加，发热功耗也相应增加，则元件温升T也要随之增加，当单柜出力为1200A，元件温升T40
14、标准温升，则1200A就是其标称出力，虽然此时的元件壳温并未达到80，但我们是以标准环境温度40元件温升T来进行衡量的。由下图可见，环境温度越低，允许的元件温升T就越大，相应的出力水平也可以提高，如图中同一台装置40环温标称出力1200A，当环温为20时，安全出力就可以提高到1800A了，其实什么都没变，只是前提条件不同而已。而一台整流器的最大输出能力，则应在设计的标准工作环境下，考核元件的最大温升T，推测出元件的结温Tj125或厂家标定值，下线起点仍为40标准环温，此时的输出电流即为最大输出电流。如1200A标称出力整流器，在40环温下输出1800A电流，元件最大温升T60，则台面温度Tc100，再通过元件的热阻Rjc、Rch计算出元件结温Tj110125的上限要求，则此柜的最大出力不小于1800A，在特殊情况下需要整流器最大电流时可以短时间顶一下，由于还有辅助风扇协助散热，实际出力还可提高。一般的励磁配置N3时很难有此工况，只有N2时此工况的可能性才大一些。所以选择N3的励磁整流器配置，不但提高了可靠性也降低了对单柜指标的要求，是比较经济合理的配置方式。平时整流器运行时都不可能带满负荷，一般单柜运行点
