國(guó)電南瑞科技股份有限公司電控分公司 李 潔 萬 泉

熱管散熱功率整流裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

國(guó)電南瑞科技股份有限公司電控分公司 李 潔 萬 泉

根據(jù)勵(lì)磁整流裝置的設(shè)計(jì)要求，制定了一種熱管散熱整流裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。在電器件選型，散熱，絕緣，模塊化設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)探討和研究，實(shí)現(xiàn)了自冷散熱單柜出力1600A。試驗(yàn)柜的運(yùn)行數(shù)據(jù)表明了該設(shè)計(jì)方案效果可靠穩(wěn)定，值得進(jìn)一步研究和推廣。

模塊化設(shè)計(jì)；整流裝置；熱管散熱；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引言

目前，大功率可控硅整流裝置一般采用鋁散熱器或銅散熱器，通過強(qiáng)迫風(fēng)冷的方式對(duì)功率器件進(jìn)行散熱。此種散熱方式需要配備高速風(fēng)機(jī)，并要在功率器件和散熱器的外圍構(gòu)建一個(gè)密閉的風(fēng)道以提高風(fēng)速和風(fēng)壓。在長(zhǎng)期的工程運(yùn)行和維護(hù)中，我們發(fā)現(xiàn)這樣的結(jié)構(gòu)形式仍然存在某些硬傷。密閉的風(fēng)道結(jié)構(gòu)不利于功率器件的檢測(cè)、維護(hù)和更換；且運(yùn)行中粉塵被高速的風(fēng)帶入風(fēng)道內(nèi)，堆積在散熱器上，影響散熱性能，帶電粉塵還會(huì)降低絕緣效果；而由于散熱完全依賴風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)在長(zhǎng)期旋轉(zhuǎn)中一旦出現(xiàn)任何故障，該整流裝置就基本退出運(yùn)行，設(shè)備的可靠性大大降低。風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的巨大噪音也常常為人詬病。因此，無風(fēng)機(jī)自然散熱技術(shù)越來越得到工程技術(shù)人員的重視。

熱管散熱器在自然風(fēng)冷的條件下，熱阻最小可達(dá)到0.04℃/W。實(shí)現(xiàn)了自然條件下的高效散熱，能夠保證功率器件在遠(yuǎn)低于其極限“結(jié)溫”狀態(tài)下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。熱管散熱技術(shù)的可控硅整流裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠、高效低噪的優(yōu)點(diǎn)，有著廣闊的市場(chǎng)前景。

1 設(shè)計(jì)要求

對(duì)于中型水輪發(fā)電機(jī)組機(jī)組，設(shè)計(jì)要求單柜常規(guī)自冷散熱情況下輸出電流≥1000A。另外，研究熱管散熱整流裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過合理的器件布置達(dá)到最優(yōu)的散熱效果，增強(qiáng)單柜可靠性，模塊化設(shè)計(jì)增強(qiáng)易維護(hù)性。

1.1 實(shí)現(xiàn)自冷散熱單柜出力1000A的關(guān)鍵因素

作為自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)中重要組成部件之一的晶閘管整流裝置，其單柜輸出電流能力的大小決定了發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)整體性能和配置方案的設(shè)計(jì)。熱管散熱整流裝置的基本試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)為實(shí)現(xiàn)單柜自冷散熱出力1000A，需綜合考慮三個(gè)因素：

1．1．1 散熱器熱阻

散熱器的熱阻由散熱器材質(zhì)和流過散熱器的風(fēng)速?zèng)Q定，普通鋁（銅）實(shí)體散熱器在進(jìn)口風(fēng)速為6m/s條件下的熱阻一般為0.03℃/W，而熱管、水冷的熱阻在相同條件下僅為0.01℃/W；自然風(fēng)冷的條件下，熱阻最小也可達(dá)到0.04℃/W，散熱效果明顯提高，從而提高整流柜的輸出能力。熱管內(nèi)的縱向熱傳導(dǎo)是靠蒸汽來完成的，適當(dāng)?shù)膬?nèi)部結(jié)構(gòu)可提供足夠的蒸汽壓力，加之水的蒸發(fā)比熱很大，因此在傳輸很大的熱流時(shí)，兩端并不產(chǎn)生很大的溫降，在傳熱原理上與金屬的熱傳導(dǎo)有著本質(zhì)的不同。在某些應(yīng)用范圍內(nèi)熱管可以看成是一種最佳組合的工程結(jié)構(gòu)，它相當(dāng)于導(dǎo)熱率大大超過任何已知金屬的一種物體。

1．1．2 風(fēng)速

由第一點(diǎn)可見，風(fēng)速直接影響散熱器的熱阻，而風(fēng)速主要由風(fēng)機(jī)的風(fēng)量出力決定，為了保證熱阻效率小，普通鋁（銅）實(shí)體散熱器需要所選風(fēng)機(jī)在進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)速達(dá)到6m/s。熱管散熱器采用自冷模式，通過將熱量平均分布于散熱表面，傳熱至散熱表面空氣帶走熱量。通過合理設(shè)計(jì)散熱器四周腔體形成煙囪效應(yīng)加速熱空氣換流，其自冷換流平均風(fēng)速可達(dá)到0.5m/s。

1．1．3 風(fēng)阻

由第二點(diǎn)可知，風(fēng)壓是風(fēng)速的主要影響因素，在風(fēng)量不變的情況下，風(fēng)壓與風(fēng)阻成正比關(guān)系，即風(fēng)阻增大，風(fēng)壓上升。風(fēng)道結(jié)構(gòu)則是影響風(fēng)阻的最主要因素。合理的自冷散熱風(fēng)道應(yīng)是增加進(jìn)出口面積，減少風(fēng)路非散熱器件引起的風(fēng)阻，以加強(qiáng)散熱效果。

1.2 模塊化、維護(hù)便利性設(shè)計(jì)

整流柜的結(jié)構(gòu)便利性設(shè)計(jì)主要考慮以下三方面：

1．2．1 主回路

電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《DL／T583 2006大中型水輪發(fā)電機(jī)靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)及裝置技術(shù)條件》［1］中提出，勵(lì)磁系統(tǒng)中的整流裝置若單柜故障，將其退出后系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮用最簡(jiǎn)單的方法將故障整流裝置完全脫離勵(lì)磁系統(tǒng)，且便于檢修和維護(hù)，如快熔更換、阻容吸收回路維護(hù)等；

1．2．2 智能控制

智能控制模塊的電氣功能是測(cè)量各元件的電流、風(fēng)機(jī)檢測(cè)、溫度檢測(cè)、對(duì)外接口及實(shí)時(shí)錄波等。在結(jié)構(gòu)上考慮強(qiáng)、弱分離，且方便檢測(cè)。

1.3 絕緣設(shè)計(jì)

由于熱管散熱整流裝置主回路的電壓較高、電流較大，而機(jī)柜尺寸又受到限制，器件排布較為緊湊，因此必須在絕緣設(shè)計(jì)方面予以充分考慮。

2 設(shè)計(jì)方案及結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

2.1 單柜出勵(lì)1600A的實(shí)現(xiàn)

試驗(yàn)樣柜選用一款型號(hào)為RDN1430的散熱器，并在其四周增加了一層PC擋板，主要作用是提高單位面積的出風(fēng)量以及絕緣。自然冷卻的條件下，其熱阻為0.075℃/W，已能夠?qū)崿F(xiàn)單柜出勵(lì)1600A，達(dá)到既定的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

2．1．1 器件優(yōu)化選型

對(duì)器件進(jìn)行優(yōu)化選型，在保證出力能力的前提下，在有限的空間里優(yōu)選散熱特性好的器件及輔助散熱器。1）可控硅整流器件優(yōu)選：計(jì)算各適用型號(hào)可控硅通態(tài)、開通及關(guān)斷功耗，優(yōu)選總功耗容量低的可控硅器件；2）熱管散熱器的優(yōu)選：選擇風(fēng)阻小，單位體積散熱面積大的熱管散熱器。3）阻容吸收器件優(yōu)選：可控硅在整流過程中產(chǎn)生換相過電壓能量需依靠阻容器件進(jìn)行抑制吸收，在此過程中阻容吸收器件消耗過壓能量發(fā)熱，阻容吸收器的選型需在過壓抑 制效果與自身發(fā)熱尋求平衡點(diǎn)。

2．1．2 隔離發(fā)熱器件、形成煙囪效應(yīng)

用PC擋板構(gòu)建一個(gè)四面封閉的中空腔體，以形成煙囪效應(yīng)。并將阻容、快熔等發(fā)熱源與風(fēng)路隔離開，防止熱空氣渦流影響散熱效果。如圖1所示。

當(dāng)散熱器與空氣換熱后，升溫的空氣密度變低自然上升將熱量帶走，自冷散熱迫切需要解決的問題是加強(qiáng)空氣的換熱量。煙囪效應(yīng)使腔體內(nèi)空氣沿著有垂直坡度的空間向上升或下降，造成空氣加強(qiáng)對(duì)流的現(xiàn)象，最終增加空氣的換熱量。熱管自冷散熱整流裝置在熱管四周形成密閉垂直的煙囪效應(yīng)風(fēng)道，加強(qiáng)熱管水平截面的風(fēng)速流量，散熱腔體平均風(fēng)速由0.3m/s提升至0.5m/s。

圖1 自冷散熱風(fēng)路示意圖

2.2 模塊化、維護(hù)便利性的實(shí)現(xiàn)

熱管散熱實(shí)驗(yàn)樣柜采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，解決了產(chǎn)品品種、規(guī)格與設(shè)計(jì)制造周期、成本之間的矛盾，為生產(chǎn)和維護(hù)提供了便利。自冷散熱技術(shù)應(yīng)用，在保證1000A出力的前提下極大減少了柜內(nèi)空氣流量，使得柜內(nèi)不易積灰，大幅減輕用戶維護(hù)工作量。

2．2．1 模塊化

柜體尺寸定為1000×1000×2260（寬×深×高，單位：mm）。首先將機(jī)柜內(nèi)部劃分為六個(gè)部分，分別是智能控制組件、阻容組件、散熱器功率組件、刀閘組件、連接母線區(qū)和匯流母線區(qū)，如圖2所示。

圖2 機(jī)柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)劃分

模塊化的設(shè)計(jì)思路即是對(duì)柜內(nèi)器件按電氣原理和功能關(guān)系進(jìn)行分類和歸整，使相關(guān)功能模塊在結(jié)構(gòu)上自成一體，可單獨(dú)進(jìn)行生產(chǎn)、檢測(cè)、拆卸和維護(hù)。熱管整流裝置分成了以下四大模塊：智能控制組件（圖3）、阻容組件（圖4）、散熱器功率組件（圖5）、刀閘組件（圖6），這四大組件采用各自獨(dú)立的結(jié)構(gòu)形式，在柜內(nèi)完成組合。各組件均可單獨(dú)進(jìn)行生產(chǎn)、檢測(cè)、拆卸和維護(hù)。

圖3 智能控制組件

圖4 阻容組件

圖5 散熱器功率組件

圖6 刀閘組件

2．2．2 自冷散熱的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

在熱管散熱整理裝置的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，采用化整為零的風(fēng)道腔體設(shè)計(jì)，以透明PC板構(gòu)建的腔體整體上呈四周密閉的樣式，結(jié)構(gòu)上是由多個(gè)平板拼接而成，無需拆卸任何器件就可輕易抽出和拆除。相比強(qiáng)迫風(fēng)冷整流裝置的固定式風(fēng)道，具有輕巧靈活，維護(hù)便利的優(yōu)點(diǎn)。

2．2．3 智能控制、檢測(cè)等便利

智能控制盒及繼電器等固定于鈑金折彎加工的安裝盒里，這個(gè)組件可稱為智能控制模塊，它位于功率模塊的上方，如圖1所示，它可以方便地完成數(shù)據(jù)檢測(cè)等操作，并為整流裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了支撐。

2.3 絕緣設(shè)計(jì)考慮

散熱器安裝架采用80mm×60mm的環(huán)氧柱構(gòu)成，3240環(huán)氧材料在中溫下機(jī)械性能高，在高濕下電氣性能穩(wěn)定，耐熱等級(jí)F級(jí)（155度），因此選用環(huán)氧材料作為散熱器支撐和固定件，不僅能滿足電氣絕緣要求，還能可靠的固定散熱器。散熱器功率組件四周的PC擋板具有高透光率、高抗沖擊韌性以及高機(jī)械強(qiáng)度，良好的電氣絕緣性、非常好的尺寸穩(wěn)定性以及耐熱不變形能力，常用于開關(guān)柜電器防護(hù)罩、采光罩等。此處的主要作用是提高單位面積的出風(fēng)量以及絕緣。

3 總結(jié)

本文針對(duì)熱管散熱勵(lì)磁整流裝置的要求， 提出了一整套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)施方案。整體布局合理，既滿足了散熱和電氣方面的要求，又實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的模塊化。對(duì)于用戶來說大幅減輕了對(duì)勵(lì)磁整流裝置的維護(hù)工作，也可以增強(qiáng)勵(lì)磁整流裝置運(yùn)行的可靠性。計(jì)算機(jī)仿真數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的運(yùn)行情況表明，該整流裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理可行，滿足投入生產(chǎn)和進(jìn)一步研發(fā)的條件。

[1]電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)．DL／T583 2006大中型水輪發(fā)電機(jī)靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)及裝置技術(shù)條件[S]．

李潔，女，工學(xué)學(xué)士，助工，主要從事電力電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

Structure Design of Power Rectifier Cabinet with Heat Pipe Cooling

Li jie Wan quan
(NARI technology Co, LTD in Nanjing, Jiangsu 211106)

A structure design scheme is put forward for the heat pipe cooling type rectifier cabinet based on the requirement for excitation rectifying equipment. Research is carried out on the selection of rectifier element, heat dissipation, insulation and modular design, which achieved a single cabinet output of 1600A with self-cooling. The operation data of the trial cabinet showed the stability and reliability of the design. The structure design scheme can be put to wide use and further study.

modular design; rectifier; heat pipe; structure design