（机械电子工程专业论文）12ka全数字大容量风冷晶闸管稀土电解电源.pdf

摘要 摘要 稀土是镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕等十七种金属元素的统称。由于具有许 多优异的光、电、磁等物理特性，被称为“现代工业的维生素”和神奇的“新材 料宝库”。随着稀土功能材料的迅速商品化，稀土金属的需求量保持着强劲的增 长势头。 稀土是金属，同大多数金属一样，稀土必须经过冶炼才能从化合物中分离熔 铸而成纯金属。我国是稀土资源大国，但是因为生产技术落后，不得已只能把宝 贵的稀土资源作为初级原料出口。先进技术都被少数几个国家所垄断。 为了提高我国稀土电解和稀土产品开发水平，国家计委将“万安培稀土熔盐 电解关键技术与成套设备的研制”列为“十一五”产业前期攻关项目。 本项目主要研究内容： ( 1 ) 设计、制造散热器、晶闸管桥组是此项目的核心。通过对散热器材料 的选择、加工工艺的确定到桥组的装配，研制、开发出整板式散热器，达到了技 术设计的预期效果。 ( 2 ) 设计散热通风系统，解决了大容量晶闸管系统散热的关键问题。通过 散热效果计算、风道选择、结构设计、风机选型，研制出进风与排风配置及冷却 均匀的单元式并联风道，将散热器、风道和风机科学、合理地组成强迫风冷系统。 运行效果良好，完全达到了技术性能设计指标。 ( 3 ) 根据原理设计出承载量大、结构复杂、技术要求较高且符合人机工程要 求和造型美感的各种新型柜( 台) 体并合理布置、安装各类电器元件及接线。 c 4 ) 设计、制造、安装了适合电解冶炼的重型母线系统。设备内部各主要元 件之间、设备与电解槽之间均用母线作可靠连接，并避免了出现温升过高及电化 腐蚀现象。 此项目的研制成功，实现了稀土生产设备的国产化，打破了制约熔盐稀土金 属电解生产规模提升的“瓶颈”，推动中国稀土冶炼水平的提高，加快了稀土功能 材料的工程化研究，为我国稀土产业的调整和产品升级提供了工程化技术。取得 了良好的经济效益和社会效益。 关键词电解电源；稀土；晶闸管；机械结构；风冷 北京工业大学工程硕士学位论文 a b s t i 认c t t h e y ，i n c l u d i n gl a n t h a n u m 、c e r i u m 、p r a s e o d y m i u m 、n e o d y m i u m 、 p r o m e t h i u m 、s c y t h ea n de u r o p i u me t c ，a r eg e n e r a l l yc a l l e dr a r ee a r t h m e t a l s b e c a u s eo fw i t hm u c ho u t s t a n d i n gp h y s i c sc h a r a c t e r i s t i c si n l i g h t 、e l e c t r i c i t ya n dm a g n e t i s m ，r a r ee a r t hm e t a li sg i v e nt h et i t l e s l i k e 。m o d e r ni n d u s t r i a lv i t a m i n ”a n d “s u p e r n a t u r a ln e wm a t e r i a l t r e a s u r y ”w i t hf u n c t i o nm a t e r i a l so ft h er a r ee a r t hm e t a lr a p i d l yb e i n g c o m m e r c i a lp r o d u c t s ，t h ed e m a n d i n go fr a r ee a r t hm e t a lk e e p st h e f o r c e f u l l y i n c r e a s i n gt e n d e n c y r a r ee a r t hm e t a l sb e l o n gt om e t a l a sm a j o r i t ym e t a l s ，t h e ya r e t h r o u g hs m e l ti no r d e rt os e p a r a t ef r o mc h e m i c a lc o m p o u n da n dt h e nm i n t e d i n t of i n em e t a l o u rc o u n t r yh a sr i c hr a r ee a r t hm e t a l sr e s o u r c e s b u t o u rc o u n t r yh a st oe x p o r tr a r ee a r t hm e t a lr e s o u r c e sa sp r i m a r ym a t e r i a l s f o rb e h i n d h a n dp r o d u c t i o nt e c h n i q u e t h ea d v a n c e dt e c h n i q u eh a db e e n m o n o p o l i z e db ym i n o r i t yc o u n t r i e s i no r d e rt oi m p r o v et h ee l e c t r o l y s i sa n dp r o d u c te x p l o i t i n gl e v e lo f r a r ee a r t hm e t a l ，c o u n t r yp l a nc o m i t t e ep u ti t ，w h i c hi si nc o n t r o lo f t h ee l e c t r o l y t i ck e yt e c h n o l o g ya n dm a n u f a c t u r e sc o m p l e m e n te q u i p m e n t ， a st h ep r o p h a s ec a p t u r ep r o j e c to fe l e v e n t hf i v ep l a n t h e r ea r et h e s er e s e a r c h e sl i k ef o l l o w i n g ( 1 ) d e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fr a d i a t o r ，a sw e l la st h ”i s t o r r e c t i f y i n gb r i d g ei st h ec o r eo ft h i sp r o j e c t n o wt h i st e c h n o l o g yh a s a c h i e v e de x p e c t a n tp u r p o s ea f t e ras e r i e so fw o r ks u c ha ss e l e c t i n gr a d i a t o r m a t e r i a l ，m a k i n gc e r t a i no fp r o c e s s i n gc r a f t s ，a s s e m b l i n gr e c t i f y i n g b r i d g ea n du l t i m a t e l yc o m i n gi n t ob e i n gt h ew h o l er a d i a t o r ( 2 ) t h es u c c e s s f u ld e s i g no fh e a te l i m i n a t i o n a n d v e n t i l a t i o ns y s t e m s e t t l e dt h ek e yi s s u e so fh e a te l i m i n a t i o no fl a r g e rc a p a b i l i t yt h y r i s t o r t h ep a r a l l e lu n i ta i rd u c th a sb e e nm a n u f a c t u r e d w h i c he v e n l yc o o l sa n d p r o v i d e dw i t hi m p o r td u s ta n de x p o r td u s t i tg e t sa c r o s sc a l c u l a t i n g c o o l i n ge f f e c t ，s e l e c t i n ga i rd u c t ，d e s i g n i n ga r c h i t e c t u r ea n dd e c i d i n g f a nd u r i n gi n v e s t i g a t i o n c o m p e l l i n gc o o l i n gs y s t e mi sl o g i c a l l ya n d s c i e n t i f i c a l l yc o m b i n e dw i t hr a d i a t o r 、a i rd u c ta n df a n t h i ss y s t e mr u n a l o n gv e r yw e l la n de n t i r e l ya c h i e v e dt e c h n i c a lf u n c t i o nc r i t e r i o n 一i i a b s t r a c t ( 3 ) t h en e wk i n d so fp a t t e r nc a b i n e t sw i t ha e s t h e t i cm o d e l l i n gw e r e c o n t r i v e do u to nt h eb a s i so ft h e o r y i th a sc o m p l i c a t e ds t r u c t u r ea n dc a n b e a rh e a v yw e i g h m e a n w h i l ei t st e c h n i c a lr e q u i r e m e n ti sv e r yh i g ha n d s a t i s f i e sw i t hm a n - m a c h i n ee n g i n e e r i n g v a r i o u se l e c t r i c a lc o m p o n e n t s a l o n gw i t hc o n n e c t i n gr o d sa r er e a s o n a b l e l ya s s i g n e di nc a b i n e t s ( 4 ) h e a v yg e n e r a t r i xs y s t e m ，w h i c hs u i t se l e c t r o l y s i ss m e l t ，h a sb e e n d e v i s e da n dt u r n e do u t b e t w e e ne q u i p m e n ta n de l e c t r o l y t i cc e l la sw e l l a sa m o n gt h ei n t e r i o r e l e m e n t st h e ya r ea l lr e li a b l yc o n n e c t e dw i t h g e n e r a t r i x t h es y s t e ma l s oa v o i d st e m p e r a t u r er i s i n go v e rh i g ha n d p r e v e n t se l e c t r i f i c a t i o na n dc o r r o s i o np h e n o m e n o n ， a 1 t o g e t h e rt h et r i u m p ho ft h i sr e s e a r c hm a k e si tc o m i n gt r u e ，t h a ti s ， m a k i n gp r o d u c t i o nf a c i l i t yo fr a r ee a r t hm e t a li n t e r n a t i o n a l i z i n g a n d b r e a k st h r o u g hb o t t l e n e c ko fe l e c t r o l y s i sp r o d u c t i o ns c a l eo fm o i t e ns a l t ， w h i c hw a sr e s t r i c t e da to n et i m e t h ea c h i e v e m e n tp u t ss m e l t i n gl e v e lo f c h i n e s er a r ee a r t hm e t a li n d u s t r yi n t oa d v a n c e d a c c e l e r a t e se n g i n e e r i n g r e s e a r c ho ff u n c t i o nm a t e r i a lo fr a r ee a r t hm e t a l t h ew o r ka l s oo f f e r s e n g i n e e r i n gt e c h n o l o g yf o ri n d u s t r i a lm o d u l a t i o na n dp r o d u c tu p g r a d eo f c h i n e s er a r ee a r t hm e t a l t h ep r o j e c th a sa c h i e v e df a v o r a b l ee c o n o m i c b e n e f i ta n ds o c i e t ye f f e c t k e y w o r d se l e c t r o l y s i sp o w e rs u p p l y ；r a r ee a r t hm e t a l ；t h y r i s t o r p h y s i c a lc o n s t r u c t i o n ；a i rb l a s tc o o li n g 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：弛睨塑丑凹 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：二憾导师签名： 日期：丝旦z ：圭： 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 1 ，1 ，1 研究意义 稀土是镧及镧系元素以及与其化学性质十分相似的钪、钇等十七种金属元素 的统称。由于具有许多优异的光、电、磁等物理特性，广泛应用于冶金、电子、 航天、陶瓷等行业，被称为“现代工业的维生素”“1 和神奇的“新材料宝库”。美 国认定的3 5 个2 1 世纪战略元素，日本选定的2 6 个高技术元素中，就包括了稀土 元素中的1 6 个o 。 据有关资料报道：随着稀土功能材料的迅速商品化，稀土金属的需求量保持 着强劲的增长势头。以钕铁硼和储氢电池为例：全球烧结钕铁硼产量从1 9 9 0 年的 1 4 3 0 吨增长到1 9 9 9 年的1 0 6 3 0 吨，年均增长超过2 8 5 。粘结钕铁硼材料从1 9 9 1 年的4 0 0 吨增长到1 9 9 7 年的2 1 0 0 吨，平均增长率3 l8 。预计到2 0 0 8 年全球钕 磁体将达到2 1 0 0 0 吨以上，所需金属钕将达到6 5 0 0 吨。1 。稀土储氢电池自1 9 8 9 年问世以来，商品量也迅速增加，到1 9 9 6 年日本储氢电池用合金消费量达到5 4 0 0 吨，预计到2 0 0 8 年储氢电池商品量将为全球电池市场总商品量的2 8 2 9 6 ，仅储氢 电池负极材料用混合稀土金属将超过6 0 0 0 吨，并以每年2 0 的速度持续增长。 总之，稀土及与之相关的产业是朝阳产业，稀土将不断地造福人类。 稀土是金属，同大多数金属一样，稀土必须经过冶炼才能从化合物中分离熔 铸而成纯金属蔺。传统的氯化物电解技术，生产规模小，产生氯气污染，且用于冶 炼的电解炉频繁更换，无法直接生产稀土金属。氧化物电解法以熔融氟化物为电 解质，电流效率高，生产过程基本无污染，可直接生产稀土金属。 现在，稀土氧化物熔盐电解法已广泛用于生产混合轻稀土金属、富镧( 少铈) 混合金属以及镧、铈、镨等单一稀土金属和稀土合金嘲。电解操作的主要任务和职 责是：以稀土氧化物为原料，以熔融状态的氯化钾和稀土氧化物组成电解质，以 石墨作阳极，液态金属和钼棒作为阴极，通直流电实现电化学反应来制取稀土金 属产品。 稀土氧化物熔盐电解制取稀土金属的设备包括三部分：即供电系统、电解槽、 电解尾气净化处理系统，见图1 - 1 。 图卜l 电解制取稀土金属设备 北京工业大学工程硕士学位论文 其中供电系统又是整套设备的关键。供电系统由整流器、整流变压器、万能 空气断路器、进线电抗器和无功补偿装置等组成，见图卜2 。 图卜2 供电系统 整流器为电解槽直接供电，其工作原理是：利用二极管的单向导电特性将交 流电转换为直流电。目前，常用的是晶闸管整流器，包括整流变压器和整流柜两 部分。由于稀土化合物电解多为单槽运行，整流器输出电压低，整流方式采用双 反星并联，有利于提高设备的效率。为便于调节槽温，通常将整流器设计成两档 不同的输出电压。一般低档为0 1 2 v ，用于正常电解；高压档为o 6 0 v ，用于电 解槽及出炉后温度降低时使用“】。 但是，这种大规模的稀土金属技术工艺和生产设备只有日本、俄罗斯等国家 掌握，并被这些国家严格控制、高度保密着。1 9 9 8 年，一家以生产钕铁硼产品著 称的日本某企业提出，大规模生产的金属钕均匀性好、质量稳定，而中国却没有 一家企业能够生产这样档次的产品。 我国是稀土资源大国，包头的稀土资源非常丰富，约占世界蕴藏量的7 0 9 6 以上， 但是因为缺乏生产技术，多年来只能在实验室里生产少量的金属钕。因此，我国 的稀土产品冶炼成本较高、质量较差，在参与国际市场竞争时处于不利地位，不 得已只能把宝贵的稀土资源作为初级原料出口，只卖出个。土”价钱。 1 1 2 立项过程 在引进国外技术未果的情况下，为了提高我国稀土电解和稀土产品开发水平， 国家计委将“万安培稀土熔盐电解关键技术与成套设备的研制”列为“十一五一 产业前期攻关项目。此项目通过国家计委考察确定由地处“稀土之乡”内蒙 古包头市的包头稀土研究院承担。 包头稀土研究院成立于1 9 6 3 年，历经四十多年，已逐步发展成为以稀土资源 的综合开发利用为宗旨，以稀土冶金、环境保护、新型稀土功能材料、稀土在传 统产业中的应用为研究重点，全国最大、科研实力最强的稀土科技研发机构，享 誉国内外 一2 一 第1 荤绪论 作为国家经贸委所属2 4 2 个转制院所之一的包头稀土研究院，在科研体制的 转轨中也进行了大胆的改制，先于其他院所进入市场经济建设主战场，在满足国 家重点项目需要的基础上，紧跟市场需求，力争将自身建成科技先导型企业，努 力做大做强。 目前，全院整体体制改革己基本完成，己形成母子公司的框架结构，实现了 投资主体、产权结构和经营方式多元化的格局。相继成立了1 0 个分、子公司，组 建了两个国家级研究中心，即“瑞科稀土冶金及功能材料工程研究中心”和“内 蒙古稀土行业生产力促进中心”。 包头稀土研究院科研实力非常雄厚，拥有一大批科技人才。其中教授级高工 及高级职称的有1 0 0 多人，博士、硕士研究生5 0 多人，还有多位国家和省市级专 家。在科研开发领域和美、意、日、德、法等国以及台湾的许多研究院所、大学、 公司进行了卓有成效的合作和交流。许多产品以其良好的质量和信誉销往国内外， 主要产品有单一稀土金属、稀土金属氧化物、混合稀土金属及稀土功能材料。 建院四十多年来，共承担国家科技攻关及国家“8 6 3 ”项目、省部地市级和为 企业服务的各类课题1 6 0 0 多项，获国家省部级各类重大科技成果奖2 4 0 多项，获 国家发明奖、专利权1 8 0 多项，取得一大批前沿成果，同时为“两弹一星”、“长 征系列运载火箭”和“神舟号”飞船等诸多国家重点工程研制生产了大量的关键 材料，为中国稀土工业的发展做出了巨大贡献。 包钢集团电气公司初建于1 9 5 8 年，为包钢集团所属全资子公司，是西北地区 大型、综合性的专业电气公司，涉及高低压电气成套设备制造、各类变压器、线 圈、电缆桥架制作、电气工程安装检修、电机修理与测试等业务领域。凭借将近 5 0 年服务于大型企业的实践经验和能力，取得了国家级高低压开关与控制装置、 变压器等生产制造许可证，并获得国家经贸委“城乡电网改造入网许可证”。除保 证包钢各厂矿电气设备正常运行，完成新建和技术改造项目外，还积极开拓包钢 外部市场，满足广大用户要求。 电气公司技术力量雄厚，设备精良，拥有世界领先的日本村田钣金加工设备： m o t o r u n k l - 2 0 4 8 数控转塔式多工位冲床、h s s 一2 5 4 5 数控剪板机、a p b - 8 0 2 5 w 数控折 弯机等各类先进设备，完善了各类部件加工、整体成型及表面处理等工艺，极大 地提高了电控成套设备的制造能力 近年来，包钢电气公司以科技进步为先导，坚持以改革发展为主题，先后与 浙江大学、西安高压研究所、鞍山宏远公司和浙江得力西集团等进行广泛的技术 交流与合作。为适应市场经济的发展、提高产品竞争力，进行了结构调整，选调 优秀技术骨干组成技术开发中心，在新产品开发、拓宽产品领域方面进行攻关 经过不懈的努力，已经开发出一系列技术先进、适用性强的产品，如：智能 无功补偿控制装置、智能模块直流电源、智能型高压开关柜、三相电子调功器、 一3 一 北京工业大学工程硕士学位论文 电磁震荡器、同步电动机励磁装置、变频软启动装置、交流电机可逆控制器、1 2 k a 可控硅电动机控制系统和电子开关等。 由于包钢电气公司长期以来拥有的制造工艺、技术研发底蕴和良好的信誉， 包头稀土研究院决定委托包钢电气公司联合开发这个项目，电气公司负责按照稀 土院提出的工艺技术指标完成电解电源设备的研制工作。 1 2 国内外发展概况 1 2 1 国内概况 2 0 世纪8 0 年代以后，稀土材料需求剧增。包括包钢在内的国内多家企业开始 着手大规模金属钕的生产。此时，以3 0 0 0 安培为基础的“氧化物电解法连续制取 钕合金和金属钕工艺”已经远远不能满足生产的要求。但是，扩大生产规模不等 于设备能力的简单放大，其中电解电源成套设备的档次和水平就成为制约稀土金 属电解生产规模提升的“瓶颈”。 国内大容量的稀土熔盐电解装置一般都采用调压器+ 整流变压器+ 水冷晶闸管 方式( 如广东番禺整流设备厂) ，或者采用整流变压器+ 晶闸管+ 风冷的方式( 如上 海整流器厂采用3 0 0 0 a 单硅风冷，经检测温升较高，不可行) ，普遍存在着明显的 缺点： ( 1 ) 电源性能较差且耗电率高。 ( 2 ) 容量小，效率低，风冷式晶闸管电源一般都在3 千安培以下。 ( 3 ) 水冷系统故障率较高，维护困难，停电检修时间长，影响生产。 ( 4 ) 控制方式落后，保护欠缺，无稳流功能。 ( 5 ) 结构设计不合理、不美观。 ( 6 ) 母线系统设计、连接不可靠，温升较高且电化腐蚀现象严重。 ( 7 ) 设备表面被覆层剥落严重，不适应环境。 从而造成稀土产品产量低、质量差且不稳定、检验频繁，最终导致冶炼效率 较低、成本较高叫。 1 2 2 国外概况 在国外，日本、俄罗斯的稀土电解技术处于国际领先水平，他们采用的电解 槽是8 千安培的，其散热方式为水冷，也是二十世纪九十年代世界上最大、最先进 的电解槽嘲 但这些设备被他们严密封锁，绝不外传。若想引进，就得接受非常苛刻的条 件，如一方面以高昂的价格( 几十万乃至上百万美元) 卖给中国设备，而同时又 要求以低得惊人、近乎白送的价格向他们提供稀土产品多少年等等。 一4 一 第1 苹绪论 1 3 本文主要研究内容 万安培稀土溶盐电解电源成套设备是依据稀土电解工艺和电解特性而研制的 大容量电源装置，是稀土电解关键控制设备，它所属冶金科学技术领域中的冶金 过程控制与自动化技术。 鉴于国产稀土熔盐电解电源装置存在的缺点和稀土院对电解电源的要求，我 们研制的产品必须要达到以下技术性能指标： ( 1 ) 电源容量大，工作电流长期稳定在l 1 0 0 0 a 1 2 0 0 0 a 之间，环境温度在 3 5 时保证系统正常工作。 ( 2 ) 散热方式独特有效，元器件温升符合国家标准；散热器温度低于6 5 c ， 各路母线温度低于5 0 c 。 ( 3 ) 电流效率高于7 5 、功率因数高于0 9 5 。 ( 4 ) 节电显著，直流电耗低于1 2 k 1 h k g n d 。 ( 5 ) 控制先进、保护齐全，操作简便，可实现两档电压( 高压档：电压o 1 5 v ， 电流o 1 2 k a ；低压档：电压o 6 0 v ，电流0 1 2 l ( a ) 无负荷切换。 ( 6 ) 稀土产品质量高且稳定，总收率要高于9 0 。 ( 7 ) 制作精良，造型合理、美观且维护方便。 ( 8 ) 重型母线系统不能出现电化腐蚀现象。 为使研制的设备达到性能要求，我们技术中心研发人员明确分工，团结协作， 本人主要负责以下工作： ( 1 ) 设计、制造散热器桥组 散热器、晶闸管桥组是此项目的核心部分，故需要科学合理的选择材料加工 工艺、保证装配质量，研制、开发出整板式散热器以达到预期效果。 ( 2 ) 设计散热通风系统 大容量晶闸管系统散热问题是关键环节，以往的晶闸管电解电源多采用水冷 方式，故障率高，维护量大。 拟将冷却方式改为风冷，并由传统顶部抽风( 负压) 改为底部吹风( 正压) ， 提高效率、减小损耗且便于检修。进风与排风配置及冷却均匀的单元式并联风道， 将散热器、风道和风机科学、合理地组成强迫风冷系统，达到技术性能设计指标： 风速6 m s ；散热器温度低于6 5 ：母线温度低于5 0 。 ( 3 ) 设计柜( 台) 体机械结构 根据原理设计承载量大、结构复杂、技术要求较高、符合人机工程原理要求 和造型美学的各种新型柜( 台) 体并合理布置、安装各类电器元件及接线。 此项目中包括：三个晶闸管柜、一个控制柜、一个交流电源柜、一个无功补 偿柜和一个集中控制台。 北京工业大学工程硕士学位论文 ( 4 ) 设计、制造、安装重型母线系统 设备内部各主要元件之间、设备与电解槽之间均用母线作可靠连接，需要根 据线路载流量及现场情况选择母排材料及加工工艺，合理进行布置、连接和安装。 避免出现温升过高及电化腐蚀现象。 1 4 本章小结 本章为绪论，主要介绍了课题背景和立项过程。为了提高我国稀土电解和稀 土产品开发水平，打破少数国家的技术垄断，我们就必须迎难而上，发奋图强， 开发、研制出高水平的稀土生产设备。 接着分析了国内外技术发展的概况，确定此研制项目的技术性能指标和本人 需要完成的主要研究内容： ( 1 ) 设计、制造散热器、晶闸管桥组是此项目的核心。 ( 2 ) 设计通风散热系统，解决大容量晶闸管系统散热的关键问题。 ( 3 ) 根据原理设计承载量大、结构复杂、技术要求较高且符合人机工程要 求的各种新型柜( 台) 体并合理布置、安装各类电器元件及接线。 ( 4 ) 设计、制造、安装重型母线系统，设备内部各元件之间、设备与电解 槽之间均用母线作可靠连接，并避免出现温升过高及电化腐蚀现象。 一6 一 第2 章散热器桥组 第2 章散热器桥组 散热器、晶闸管桥组是此项目的核心部分，需要科学合理的选择材料、确定 加工工艺、保证装配质量，研制、开发出整板式散热器以达到预期效果。 2 1 散热器材料的选择 随着科学技术的飞速发展，集成化、模块化技术普遍应用，电子半导体器 件的电流、电压等级不断提高，功率不断增加，体积逐步缩小，热流密度积聚上 升，选用性能优良的散热器材料是电力半导体元器件获得长寿命、高效率、低故 障和提高整机质量的重要保证“。 铝合金型材电子散热器是电力电子行业中一项关键的基础性元件，被广泛地 应用于各种工业领域。 铝合金材质选用6 0 3 6 合金，具有下列特性； ( 1 ) 具有优化合理的化学成分( 见表2 - i ) 表2 - 16 0 6 3 合金化学成分( 不大于) 沃 s i f ec u- 【i l c r z nt i a i 6 0 6 30 2 - 0 60 3 5 0 1o 1 0 4 一o 9 0 1 o 10 1r e s t 余量 ( 2 ) 中等强度和良好的可挤压性，可以挤压成各种形状复杂的铝合金型材 散热器并满足各种机械加工的技术要求( 见表2 - 2 ) 。 目前，有5 0 0 多个断面型号，品种繁多，断面最大外接圆直径巾5 5 0 m m ，可 基本满足5 3 0 0 0 a 各种不同功率电力半导体的散热“。 表2 - 26 0 6 3 合金t 5 状态下典型机械性能 合金状态l 强度极限i 屈服极限l 疲劳极限i 弹性模量l 抗剪强度l 维氏强度l 伸长率 注：t 5 状态为挤压机上空冷淬火后+ 人工时效 ( 3 ) 适宜的物理特性，内部组织致密，具有良好的导电、导热性能( 见表 2 - 3 ) 。 表2 36 0 6 3 合金t 5 状态下典型物理性能 合金状态 热导率导电率i a c s 电阻率电阻温度系数平均膨胀系数 2 5 吖l lkn n m 等体积 岩重量 6 0 6 3 t 5 2 0 95 5 1 8 13 20 12 4 x 1 0 注：t 5 状态为挤压机上空冷淬火后+ 人工时效 ( 4 ) 较好的耐腐蚀性及接受阳极氧化的良好能力。 铝合金型材散热器从冷却方式上分为自然冷却和强迫冷却。从结构上分为电 子元件型、平板晶闸管型、螺栓晶闸管型、功率模块型等。散热器表面经电泳涂 北京工业大学工程硕士学位论文 漆发黑或阳极氧化发黑处理后，其散热量在自然风冷情况下提高1 0 一1 5 ，在 强迫风冷情况下提高3 0 ，电泳涂漆后表面可耐压5 0 0 v - - 8 0 0 v “”。 故此，根据晶闸管k p 2 5 0 0 5 0 0 的散热及组装要求，选择d x c 一6 1 5 型电子元 件型强迫风冷铝合金散热器。 2 2 散热器材料的加工 散热器材料的加工质量，直接影响到桥组的装配质量。所以要坚持标准，严 格把关。 2 2 1 截取长度 根据需要，把d x c - 6 1 5 散热器在锯床上截断。阳极的长度为：6 4 0 m ；阴极 的长度为：4 5 0 r m n 。 2 2 2 钻孔 ( 1 ) 根据图纸设计，钻出母线连接孔4 一巾1 7 m 、晶闸管固定孔4 一由1 3 唧 及横梁固定孔4 - m 1 2 m 。见图2 一 ( 2 ) 孔眼加工位置应准确、不歪斜，各孔眼间的距离误差应不大于0 5 m m ， 孔眼周围应打磨平整。 2 2 3 铣安装平面 ( 1 ) 为了便于螺栓连接，需在散热器背面肋片处，在立式铣床上用端铣刀 铣出母线连接孔、晶闸管固定孔安装平面“”。 ( 2 ) 铣出的平面，要求平整光洁。 以阳极散热器为例，见图2 - i ： 4 0 i 24 - 0 1 36 04 一口1 l t ， l i 毒 一一7j ， t 一 ，t 暑i 马琵茸暑l： 中 t l 1 6 0 l 锘平面铣平面 1 己56 0 f 一 2 0 0 儿0 6 4 0 图2 - 1 散热器加工圈 一8 一 第2 罩敢热器桥组 2 2 4 焊母线引出线 ( 1 ) 采用氩弧焊技术“”，把硬铝母线i 盯一8 0 x 8 长度2 0 0 r a m 焊于阴极， 作为母线引出线。 ( 2 ) 要采用与铝母线标号相同的铝焊条，铝棒纯度要求在9 9 5 以上。 ( 3 ) 引出线与散热器要保持垂直，且三相要保持一致。 ( 4 ) 焊接时，焊口附近2 0 4 0 哪以内应清理干净，不得有油污及氧化膜 等，处理后应立即焊接，不宜放置时间过长。 ( 5 ) 焊缝上的焊药、药渣等应及时清理，并用6 0 8 0 c 的清水洗净，以免 焊药腐蚀母线和散热器。 2 3 晶闸管、散热器桥组的装配 ( 1 ) 把散热器表面整理干净，打磨毛刺，去掉油污。 ( 2 ) 用细砂布打磨晶闸管接触面，保证晶闸管与散热器接触良好。否则， 会直接影响导电及散热效果。 ( 3 ) 在所有接触面、搭接面涂覆电力复合脂“o 。 ( 4 ) 采用力矩扳手压接晶闸管( 2 5 0 0 a 晶闸管，力矩值应为1 0 0 1 2 0 n m ) 。 使四个螺栓受力均匀，并保证螺栓施与散热器和晶闸管间的压接强度“”。 ( 5 ) 组装横梁，横梁用3 0 m m x 8 0 m 的酚醛层压玻璃绝缘板制作。 整板式散热器，散热面积较s f 型散热器增加了近5 0 。散热器晶闸管压接良 好，接触面涂电力复合脂，降低接触热阻，每只硅平均压力4 5 k n o ”，使可控硅晶 闸管散热问题得到圆满解决。装配完毕的桥组见图2 2 + + + + + +小 + nn n uuu 0 + +0 + +0 + + 2 8 0。 图2 - 2 晶闸管桥组 一9 一 北京工业大学工程硕士学位论文 2 4 本章小结 本章主要介绍了散热器、晶闸管桥组。 通过对散热器材料的选择、加工工艺的确定到桥组的装配，研制、开发出整 板式散热器，充分、有效地利用了散热面积，达到了技术设计的预期效果。 第3 章通风散热系统 第3 章通风散热系统 大容量晶闸管系统散热问题是关键环节，以往的晶闸管电解电源多采用水冷 方式，故障率高，维护量大。现将冷却方式改为风冷，并由传统顶部抽风( 负压) 改为底部吹风( 正压) ，提高效率、减小损耗且便于检修。进风与排风配置及冷 却均匀的单元式并联风道，将散热器、风道和风机科学、合理地组成强迫风冷系 统“”，要求达到技术性能设计指标：风速 ，6 m s ；散热器温度低于6 5 ；母线温 度低于5 0 ( 2 “” 3 1 强迫风冷的结构设计 晶闸管柜主要由主电路的元器件、散热器、风道、风机和连接母线组成。 元器件和联接母线由电路已经确定，结构设计的任务是将散热器、风道和风 机，科学合理地组合成强迫风冷系统，进而完成晶闸管柜的设计洲。 由于所选择的散热器的材质、形式、大小的不同；风道的组成形式不同；风 机的形式、风量、风压的不同，就使得结构组合呈现多样化，也使冷却效果成为 系统中多种参数的函数。 3 2 散热效果计算 根据理论基础知识乜1 1 ，总散热量见式3 1 中= 口( ，乙一t p f ( 3 1 ) 咿一总热量；俨对流换热系数；f l t p 一固体和流体的温差；f 散热器面积。 中是由电路系统确定的是散热系统设计的根本依据。 口一般在4 0 w ( 时k ) 以下是适当的。 在强迫风冷的换热中，他一般5 0 。 根据所选d x c 6 1 5 型散热器的周长：2 5 6 7 r m ，可计算出单柜内散热器的面 积 f = - 2 5 6 7 x ( 6 4 0 + 4 5 0 ) x 6 = 1 6 8 ( m ，) 则：中= 口仉一t pf = - 4 0 x 5 0 x 16 8 = 3 3 6 k w 在实际应用中，由电路系统确定了元器件的布局：由设计或选型确定了散热 器和风道的大小之后，最后变更的是风机的参数嘲。变更风机的型式( 轴流、离 心或涡流) 、型号( 风量、风压) 往往可以达到理想的效果。 北京工业大学工程硕士学位论文 3 3 风道设计 风道是形成强迫风冷散热的重要组成部分，因为散热器已经选定，风道的基 本尺寸也就确定了。风道的设计和风机的选型配合进行。风道的型式和尺寸决定 风的流向、风速的大小，并决定风冷散热的效果嘲。 风道的形式多种多样，一般常用的有两种：串联风道和并联风道。 3 3 1串联风道 串联风道是指将发热器件的结构单元重叠封闭放置( 一般取上下重叠) ，只 形成一个进风口，一个出风口，风流依次冷却器件的风道。 主要特点： ( 1 ) 结构简单，可用标准单元构件组成风道，也可设计成整体式风道。 ( 2 ) 占用空间小。 ( 3 ) 效果较好。 3 3 2 并联风道 并联风道是指将发热器件的结构单元并列放置，风流同时经过每个单元的风 道。 主要特点： ( 1 )冷却均匀。风流由进口进入后，流经每个单元到达出口时，各单元流 经的风量、风速、温度都是相等的，故冷却均匀。 ( 2 ) 风阻小。只有单层单元的风阻。 ( 3 ) 散热效果良好 3 3 3 选择方法 两种风道目前使用的都很普遍。 ( 1 ) 发热器件功率较大时，如单只元件实际电流大于1 0 0 0 a 时，选用并联 风道较多嘲。效率高，并且均匀。 ( 2 ) 并联风道占用空间较大，整体并联风道要用较大的轴流风机，体积、 噪音都很大，同时往往要和柜体一起设计，由柜体组成风道。 ( 3 ) 中等功率的设备( 7 0 0 0 k w 以下) ，使用串联风道较多。结构紧凑，并 且比较简单啕。 综上所述，我们的晶闸管桥组单元是并列放置的，单只元件实际电流远大于 1 0 0 0 a ，而且要求冷却效果均匀可靠 故此应选用并联风道( 见图3 - 1 ) 第3 章通风散热系统 图3 - 1 强迫风冷并联风道 3 3 4 设计注意事项 ( 1 ) 并联风道本身的进风口面积较大，风阻较小，要使每个单元都流经同 样风速，就要选择大风量的轴流风机。 ( 2 ) 散热器肋片的方向要和风道中风流的方向一致。 ( 3 ) 无论何神风道，为提高风速，增强散热效果，都可以在抽风式的进风 口或吹风式的出风口设置挡风板，迫使风量集中于散热器 ( 4 ) 注意柜体进出风口的大小、位置的设计。进风口面积要大于风道进风 口；进风口的风阻应尽量小；进风口的位置要低于风道进风口。 ( 5 ) 风进入风道后，首先要冷却散热器，不可被其他发热器件阻挡。此类 器件必须放于从属冷却的位置。 ( 6 ) 风道可以设计成整体式，也可以设计成单元组合式。设计要有利于风 速的流畅和有效，风道内部尽可能光滑，在保证电气间隙和爬电距离的要求下， 尽可能避免风短路。 ( 7 ) 要处理好进出风道的带电母线的绝缘设计。过线孔隙可以是补充风量 的迸风口，它以结构的合理为主来完成。 ( 8 ) 在风阻较大时，应选用风压较大的离心风机；在风阻较小时，尽可能 选用风量较大的轴流风机洲。 3 4 风机特性、参数的选用 在强迫风冷设备中，风机是最易变化且变化范围较大的重要组成部分。 北京工业大学工程硕士学位论文 设备上常用的风机属于透平式通风机中的离心式和轴流式嘲，其排气压 1 1 2 7 x l o n m ，升压 1 0 0 0 1 5 2 5 ( 5 )门面板及外露壳体的平面，每米内的凸凹值不超过3 m m ，不允许有明 显凸凹不平现象。 ( 6 ) 组装式结构，要求连接牢固，用以连接的紧固件应拧紧，无打滑现象 并有防松措施；用壳体作保护导体的，其结构必须保持良好的接地连续性。 ( 7 ) 焊接式结构，焊接应牢固，焊缝( 或焊点) 应光洁均匀，无焊穿、裂 缝、咬边、溅渣、气孔等现象，焊药皮应清除干净。 ( 8 ) 门铰链应为金属的，门的开闭应转动灵活，开启角度不得小于9 0 。 ( 9 ) 产品内零件的边缘和开孔处，应平整、光滑、无明显毛刺及裂口。 同一排或同一行的孔不应有明显的左右偏移，上下错位现象。 第4 荤柜( 台) 体机械结构 为此，特采用先进制造工艺，提高加工质量。 以电源进线柜仪表门开孔为例说明：仪表门开孔图( 见图4 - 6 ) 。 采用引进日本村田公司钣金加工数控“冲、剪、弯”设备( m c r r o r u n m 2 0 4 8 数控多工位冲床，h s s 一2 5 4 5 数控剪板机，a p b 一8 0 2 5 数控折弯机) 进行加工，定 位精、质量好，位置公差精度可以保证在0 2 m m l o o o m m 以内。 数控加工程序编制如下： y 叫9 8 6 - 4 d f rt u e ( n c ) 文件y b m 9 8 6 4 d w r版本 图号用户 说明定单号日期： 程序序号编程人 注释 加工时间( m i n ：s e c ) 移动时间：o o ：2 2换模时间：o o ：0 9冲头：0 0 ：3 1总计：0 1 ：0 1 板料厚度：2 0机器型号：m - 2 0 4 8 l t3 0 删2 1 零件数：1材料：s t e e l 钢板重量：3 4 0 k g板料尺寸：9 8 6 x 3 7 4 零件重量：2 9 3 8 k g 零件尺寸：9 8 6 x 3 7 4 重定位次数：0旋转或反转：n 0 间隙：0 1 10 1 60 2 1 夹嵌：3 8 86 9 8 使用过的模具( 总数 9 模具) r o ( 圆) 2 01 r o ( 圆) 1 3 2 s q ( 方) 3 0 6 8 s a n j i a o x i n g 3 08