佟林暉，王福海

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040)

1 引言

可控整流裝置的單橋輸出能力往往決定了整套裝置的設(shè)計(jì)水平和運(yùn)行可靠性，這一點(diǎn)在廠房布置和維護(hù)尤其重要。

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)使用的晶閘管管芯為75 mm的比較多，100 mm的管芯在一些場(chǎng)合也開始應(yīng)用。在使用同等質(zhì)量晶閘管的條件下，決定其輸出能力的關(guān)鍵就是如何把管芯的熱量散出去。

水冷方式散熱是冷卻效果最好的，但由于安裝和使用不太方便-增加了一套水系統(tǒng)，使得它的應(yīng)用受到限制，只在很少的地方使用。

自然冷卻方式的可靠性最高，維護(hù)量小，冷卻效果不好，要達(dá)到大功率輸出只能增加整流柜數(shù)量，不但提高了直接成本，間接成本也加大-增加廠房空間造成基建成本升高。

強(qiáng)迫風(fēng)冷的方式冷卻效果也比較好，使用又比較方便，也就承攬目前應(yīng)用最廣泛的一種冷卻方式。我們要研究的就是這種冷卻方式。

通常風(fēng)冷型材散熱器(鋁型材)的出力狀況并不是很理想，在接觸并應(yīng)用了一種新型散熱器-熱管散熱器后，對(duì)它的原理和使用效果進(jìn)行了試驗(yàn)，再對(duì)比型材散熱器來確認(rèn)其優(yōu)劣。

這種散熱器技術(shù)是由前蘇聯(lián)引進(jìn)到我國(guó)的，20世紀(jì)90年代后期在一些電廠進(jìn)行了少量的試用-主要是自然冷卻型式的。其實(shí)強(qiáng)迫風(fēng)冷型才是它的優(yōu)勢(shì)所在，通過我們的下面研究發(fā)現(xiàn)它的很多好處。

2 使用原理

首先在理論上討論熱管散熱器是否具有優(yōu)勢(shì)。實(shí)體型材散熱器是靠自身材質(zhì)的良好導(dǎo)熱性，將熱量從熱端傳導(dǎo)到冷端，再靠冷端與空氣的接觸面散發(fā)到空氣中。也就是說，它利用的是熱傳導(dǎo)的方法，散熱效率取決于其材質(zhì)的導(dǎo)熱性。

熱管散熱器的一端是與硅元件接觸的導(dǎo)體，在導(dǎo)體中插入密封的銅管，銅管上穿散熱片，銅管內(nèi)注入少量液體(一般是純水)，將管內(nèi)空氣抽成接近于真空狀態(tài)。當(dāng)硅元件流過電流發(fā)熱后，熱量通過導(dǎo)體將熱管內(nèi)的液體加熱，由于管內(nèi)的氣壓非常底(接近于真空)，所以液體的沸點(diǎn)很低，液體幾乎很快蒸發(fā)成氣態(tài)，來到管的冷端。在冷端冷空氣的作用下，又變?yōu)橐簯B(tài)，通過管壁的毛吸結(jié)構(gòu)迅速流回到熱端，如此往復(fù)，將熱量帶走。

上述分析可以看到，熱管散熱器是利用液體的汽化熱將元件的熱量帶走。汽化熱帶走的熱量要遠(yuǎn)多于熱傳導(dǎo)，這就是熱管散熱器散熱效果好的根本原因。

針對(duì)75 mm管芯的硅元件設(shè)計(jì)的風(fēng)冷型熱管散熱器熱阻，在6 m/s風(fēng)速時(shí)，其設(shè)計(jì)值是0.018℃/W，比型材散熱器的熱阻小接近一半，已接近水冷方式的冷卻效果。

通過下面定量的分析、計(jì)算來確認(rèn)這種散熱器的單橋最大出力是多少(配管芯的晶閘管)。

3 理論計(jì)算

選擇常用的2300A/2400V元件，由西安整所生產(chǎn)的晶閘管作為樣板。

一個(gè)整流組件在通過電流時(shí)的PN結(jié)溫升ΔTj-a:

式中:P為管芯消耗的熱功率;Rj-c為PN結(jié)與管殼之間的熱阻;Rcs為管殼與散熱器之間的熱阻;Rsa為散熱器對(duì)空氣的熱阻

晶閘管的結(jié)溫升不允許超過125℃，設(shè)備允許運(yùn)行的環(huán)境溫度為≤40℃，即:ΔTj-a≤125-40=85℃。

Rj-c:0.0115℃/W;Rcs:0.005℃/W;

RsaSRH11風(fēng)冷型熱管散熱器在4 m/s風(fēng)速下的熱阻值為0.018℃/W，這樣只需算出管芯消耗的熱功率P，即可求出ΔTj-a，看其是否滿足設(shè)計(jì)要求。

式中:VT0為門檻電壓，rT為斜率電阻，由西安電力電子研究所的樣本查出VT0為1.05V，rT為0.15mΩ;IF為流過元件的電流，三相全控橋的輸出電流為3IF;f為波形因子，對(duì)于三相全控橋?yàn)?.732。

將上述數(shù)據(jù)帶入公式中:

2463=1.05 ×IF+(1.732IF)2×0.15×10-3;

則:IF=1328.6 A，取整1328 A;3IF=3 984 A

3984 A就是風(fēng)冷型熱管散熱器配Φ 77 mm管芯晶閘管(2300A/2400V)時(shí)，單個(gè)整流橋能夠輸出的極限值。

在實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，由于試驗(yàn)設(shè)備達(dá)不到這樣的能力，我們只能驗(yàn)證單橋輸出1 800A和2 000A。如果實(shí)際測(cè)量的溫度與計(jì)算值相符就可以認(rèn)為該散熱器具有這樣的能力。

單橋輸出1 800A時(shí)的IF為600 A，代入公式(2)，則:P=792W。將 P、Rjc、Rcs、Rsa代入公式(1):

ΔTj-a=792×(0.0115+0.005+0.018)=27.324℃

單橋輸出2 000 A時(shí)的IF為667A，代入公式(2)，則:P=900.6W

將 P、Rjc、Rcs、Rsa 代入公式(1):

由于熱管散熱器的體積大，而且風(fēng)的流向要求水平方向，所以我使用水平并聯(lián)式風(fēng)道來設(shè)計(jì)裝置，并根據(jù)風(fēng)道的形式，使用軸流式風(fēng)機(jī)。裝置制成后，在試驗(yàn)站做了大電流試驗(yàn)。

4 數(shù)據(jù)比較分析

試驗(yàn)中，用熱電偶測(cè)量晶閘管實(shí)際溫度。環(huán)境溫度為20℃，風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速為3.1 m/s，當(dāng)整流橋通過的電流為18 00 A時(shí)，6只晶閘管中溫升最高的一只為25.2℃，溫升最低的1只為12.8℃，這是由于流過每只元件的風(fēng)量不同造成的，但既使溫升最高的元件也沒有超過設(shè)計(jì)值27.324℃。初步證明了計(jì)算方法是可靠的，而且還有一定的余量。

接下來，將電流升高到2 000 A，經(jīng)90 min的熱穩(wěn)定之后，測(cè)得6只晶閘管中溫升最高的1只為27.6℃，溫升最低的1只為14.0℃，均低于理論計(jì)算的數(shù)據(jù)31.07℃。

造成數(shù)據(jù)誤差的主要原因應(yīng)該是由于流過每個(gè)元件的風(fēng)量差值較大，若想精確測(cè)量可在風(fēng)道內(nèi)，每個(gè)元件裝設(shè)風(fēng)速儀即可得到更接近真實(shí)值的數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

由試驗(yàn)得出的結(jié)論證實(shí)了利用熱管散熱器可以制造大功率的整流裝置，而且在前面的分析中所使用的公式也是可靠的。對(duì)于我們勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來說，以后在勵(lì)磁裝置的整流部分可以完全實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。

該技術(shù)用于軋鋼和傳動(dòng)領(lǐng)域也可以減少整流柜數(shù)量，達(dá)到降低成本的目的。

[1] 戴薇，鄧雪庫(kù)，劉懷軒.大功率晶閘管變流裝置的設(shè)計(jì)方法[J].電氣傳動(dòng)，2008，38(5):25-27.