励磁功率柜散热设计.pdf

2011 1 大 电 机 技 术 61 励磁功率柜散热设计 许敬涛 梁永万 李孔潮 冯广志 黄志豪 广州电器科学研究院 广州 510300 摘 要 本文阐述了励磁功率柜强迫风冷散热的设计原则 给出了可控硅功耗和温升的计算公式 概述了 散热器和风机选型要考虑的主要指标 海拔高度对散热的影响也给予了定量的分析 关键词 励磁系统 功率柜 强迫风冷 可控硅 热阻 风量 中图分类号 tm621 6 文献标识码 a 文章编号 1000 3983 2011 01 0061 04 thermal design of rectifiers for excitation system xu jing tao liang yong wan li kong chao feng guang zhi huang zhi hao guangzhou electric apparatus research institute guangzhou 510300 china abstract this paper introduces the guidelines of thermal design of rectifiers for excitation system and shows the principle of calculating power losses and temperature rise of thyristor the main indexes should be considered when selecting heatsink and fan the quantitative analysis of the altitude effect on the excitation has also been given key words excitation system rectifier forced air cooling thyristor thermal resistance air flow 1 前言 在励磁功率柜的设计中 散热是需要考虑的核心 问题 散热设计包括功率器件选型 散热方式的确定 散热器件的选型计算等 其目的是控制功率柜内部所 有元器件尤其是可控硅元件的温度 使设备在所处的 工作环境条件下不超过最高允许温度 功率柜所采用的冷却系统应该是最简单而又最经 济的 并能适用于特定的环境条件 同时满足可靠性 要求 表 1 给出了常用冷却技术单位面积的最大功耗 1 以绝大部分励磁功率柜的功耗而言 自然冷却已不 能满足散热的要求 对于未封闭机柜 ip20 采用自 然通风方式散热 独立安装时散热能力约 700w 并列 安装后降至 630w 对于封闭式机柜 ip54 以上 采 用自然通风方式散热 独立安装时散热能力约 260w 并列安装后降至 200w 2 一个输出约 2000a 的功率 柜 安装在 1m 1m 2 26m 的柜体中 其发热功率超过 10kw 靠自然对流和向周围辐射无法有效快速地带走 热量 其他的散热方式 比如水冷不仅设计复杂 成 本也偏高 因此 强迫风冷是励磁功率柜的最佳散热 方式 下面就在强迫风冷的基础上探讨功率柜散热设 计中应关注的问题 2 设计原则 1 应满足设备可靠性的要求 温度越高 越容 易使元器件过早失效 应根据所要求的设备可靠性和 分配给每个元器件的失效率 确定元器件的最高允许 工作温度 表 1 常用冷却技术单位面积的最大功耗 冷却技术 单位传热面积的最大功耗 w m2 与环境空气的自然对流 和向周围的辐射 800 强迫风冷 3000 空气冷却板 16000 与液体的自由对流 500 液体冷却板 160000 蒸发冷却 5 107 2 应能适应预期的工作环境的变化 包括环境 温度 海拔高度以及通风散热系统本身运行一段时间 后热效应下降等 gb t 7409 3 2007 大 中型同步发 电机励磁系统技术要求 明确规定 当运行使用地点 超过 1000m 时 应考虑海拔升高对励磁系统的影响 dl t 583 2006 大中型水轮发电机静止整流励磁系统 及装置技术条件 也详细规定了励磁装置的使用环境 3 应能满足对冷却系统限制的要求 比如风机 的噪音限制 柜体防护等级的规定等 4 通风散热系统的可靠性应高于设备内的元 件 同时应便于设备维护 维修和更换 辅机及其他 励磁功率柜散热设计 2011 1 62 3 可控硅温升计算方法 1 可控硅损耗计算 offon tavtoav tot pp rivi p 3 2 1 式中 iav 通态平均电流 vto 门槛电压 rt 斜率电阻 pon 开通损耗 计算出元件的 di dt 后 查相 应的曲线可得 poff 关断损耗 计算出元件的 di dt 后 查相 应的曲线可得 2 在稳态情况下 可控硅结温可按下式计算 120 0 thhathch thjc thjctotavj rrrrpttt 2 式中 ta 环境温度 ptot 单个可控硅的总损耗 rthjc 可控硅结 壳热阻 rthjc 120 在 120 方波下产生的附加热阻 rthch 可控硅表面热阻 rthha 散热器热阻 t 由于快熔 铜排 风扇等发热元件引 起的环境温度上升 如果功率柜内设计了独立的风道将硅元件与其他 部件隔离 在计算硅元件温升时可不计由于快熔 铜 排 风扇 过压保护等元件引起的环境温度上升 3 强励情况下计算可控硅结温的公式如下 0 1 120 1 i t n jpvjtptotthha tthjci i thch thjc ttpprre rr 3 式中 rthha t 散热器在时间 t 时刻的热阻 1 1 i t n i thjci er 可控硅结 壳瞬态热阻 4 散热器选择 选择散热器的主要依据是热阻 同时还需要考虑 安装空间 气流流量和散热器的成本等 铝型材散热器以其经济性 可靠性 加工方便 散热效果好的优点在励磁功率柜中得到广泛应用 已有热管散热器在工程应用中的实例 其优点是 热阻较低 但结构工艺 包括密封 材料相容性 及 寿命还有待于验证 成本也偏高 热阻是评定散热器品质的基本参数 它与散热器 大小 形状 安装方式 散热面积 风速密切相关 一般情况下 热阻值是用试验的方法进行测试后取得 的 需要强调的是 一套平板散热器含有两个散热体 也就是说 铝型材散热器给出的热阻一般是双面散热 的平均值 3 相关的标准给出了系列化风冷铝型材散热器的结 构尺寸和热阻 流阻等参数 3 有些散热器制造商不能 提供散热器的热阻或流阻等参数 解决问题的办法有 两个 一是参照标准规定的型号对比 选择相近型号 散热器的数据作为设计依据 二是按照 gb t 8446 2 2004 电力半导体器件用散热器第二部分 热阻和流 阻测试方法 的规定进行测试 5 风机选择 选择风机主要考虑风量和风压 其次还要考虑以 下因素 噪音 效率 安装空间 供电电源等 常见 的风机种类可分为离心式 轴流式 混流式 风量大 风压低的情况 选用轴流式风机 反之则选用离心式 风机 混流式风机在构造和性能上介于离心风机与轴 流风机之间 图 1 给出了不同类型风机适用范围 5 图 1 不同类型风机适用范围 200 500 1000 2000 5000 10000 20000 50000 风量 m3 h 900 800 700 600 500 400 300 200 100 压力 pta pa 转流式风机 离心式风机反向曲线 离心式风机单入风口 离心式风机双入风口 混流式风机 2011 1 大 电 机 技 术 63 5 1 风量 风冷散热器依靠空气吹过散热片 利用热交换带 走散热片上堆积的热量 显然 采用同样的散热器与 空气流动方式 单位时间内通过的空气越多 带走的 热量也就越多 因此 其他条件不变的情况下 可以 说实际风量对风冷散热效果起着决定性的作用 风量 平均风速 过风面积 散热器热阻是风速的 函数 可根据预设的热阻值确定风速 再通过合理的 通风风道设计确定过风面积 由此可确定风量的大小 5 2 风压 风压即风机出风口与入风口间产生的压强差 风 压和风量并非两个孤立的性能指标 而是互相制约着 之间的关系就是流体力学中典型的流速与压强的关系 风量随着压强差 具体而言即散热器风阻 的增 大而减小 两者互相制约的程度则取决于扇叶形状与 整体结构设计 图 2 是典型的风机特性曲线图 图中实线 fpc 为风机特性曲线 虚线 src 为风道阻力特性曲线 fpc 与 src 的交界点即为风机的实际工作点 qb与 pb则分别是使用中可达到的风量与风压 图 2 风机特性曲线 目前获得风道阻力特性的常用方法是经验实验法 和计算实验法 经验实验法是参考以往相似设计实例的风道特性 及所用风机 估计当前设计对象的风道特性 并选择 适当的风机 样机完成后 通过实验验证所选风机的 合理性 除此之外 也可以通过计算实验法进行计算 得 出系统的阻力特性 但由于公式中的局部和沿程阻力 系数不易得出 从而造成计算结果与实际值在某些情 况下会发生较大偏差 近年来出现了一些专业的热设计仿真商业软件 可以进行模拟仿真 也能够较准确地获取风道的阻力 特性 5 3 风机串并联运行 4 很多情况下 单台风机不能满足散热的要求 这 时就需要两台风机串联或并联运行 当风量满足要求 而风压不够时 可采用两台风机串联运行 这时 风 量略有增加 风压相加 当风压满足要求而风量不够 时 可采用两台风机并联运行 这时 风压略有增加 风量相加 6 海拔高度对散热的影响 当风机在转速 效率及气温不变的前提下用于高 海拔地区时 实际风压将低于其在标准工况下测得的 名义风压 相应地风机的电机功率也降低 6 风机制造 商给出的风机特性曲线通常是指标准状态 环境温度 20 1 个标准大气压 空气湿度 50 下的运行特 性 非标准状态下的风压可按下式计算 0 101325 273 293 p t h p 4 式中 p 非标状态下风压 p0 标准状态下风压 h 大气压 t 温度 由于风道阻力损失的减少与风机风压的降低是完 全等同的 因而输送空气的体积流量不变 这样 空 气密度的变化对功率柜散热的影响就成了一个重要因 素 干燥空气的密度可由下式计算 4 101325 273 273 293 1 t h 5 式中 空气密度 m3 h 大气压 t 温度 冷却空气的温升可用下式计算 pv cq q t 6 式中 q 空气吸收的热量 w 空气密度 m3 qv 空气的体积流量 m3 s cp 定压比热 在常温下为1005j kg 由于功耗和流量不变 空气密度的变化引起的温 升变化可按下式计算 风机特性曲线 fpc 风道阻力特 性曲线 src op qb qa q p pa pb 静压 风量 励磁功率柜散热设计 2011 1 64 2 1 1 2 1 2 2 1 273 273 t t h h t t 7 这个公式也可用来验算海拔高度变化对可控硅温 升的影响 7 结束语 强迫风冷作为主要的散热方式在静态励磁系统中 得到广泛应用 本文通过对影响散热的各种因素的定 量分析 给出了散热设计的理论计算方法 有助于提 高产品设计的合理性和可靠性 参 考 文 献 1 王健石 电子设备结构设计标准手册 第一版 k 2001 2 田蘅 电控设备结构设计基础 m 1994 3 gb t 8446 1 2004 电力半导体器件用散热器第 一部分 铸造类系列 s 4 gjb z 27 92 电子设备可靠性热设计手册 s 5 ebmpapst centrifugal fans and blowers version 7 m 6 李永林 等 高海拔隧道主风机的选型研究 j 地下空间与工程学报 2005 1 收稿日期 2009 05 12 作者简介 许敬涛 1969 1990 年毕业于华中理工大学 教授级高级工程师 政府津贴专家 长期从事 发电机励磁 整流电源等电力电子产品的科研 和工程设计工作 上接第 38 页 4 环保及经济性 在vpi浸渍及线棒烘焙过程中 有挥发性气体排 放 总量较比模压一次烘焙完成方式排放量略多 两 种方式都需采取环保措施 尽量减少环境污染及对人 体的伤害 以某型汽轮发电机产品为例 对制造一只线棒用 的主要原材料 云母带和浸渍树酯 按实测用量及原 材料采购价进行的成本计算见表8 可见 制造一只 vpi线棒仅主绝缘材料费用就明显高于模压线棒 工 艺复杂程度 工时 消辅材料 效率等也都劣于模压 方式 因此 对于尺寸较长且端部形状复杂的火电机 组线棒 采用模压方式更有经济性 水电机组由于线 棒短 形状简单 采用vpi方式产品效率更高一些 表 8 单只线棒用主要材料成本 元 少胶 vpi 线棒 多胶模压线棒 材料名称 定额 价格 元 材料名称 定额 kg 价格 元 云母带 8 5 2635 0 云母带 16 8 1848 0 树脂 固化剂 6 29 724 6 费用总计 3359 6 1848 0 5 结论 通过对模压与vpi制造工艺的理论分析及对相应 产品线棒的试验数据对比 笔者认为 采用两种不同 工艺方式制造的线棒 其性能均能满足定子制造及电 机运行要求 模压线棒的综合性能均可达到国际同等 vpi线棒水平 因此 作为国际上大的发电设备制造