淺談大電流電力電子變流設備水冷卻的附加損耗

分類：晶閘管專題發(fā)布：2017年06月19日 22:35 瀏覽：1448次 Tag：

　　摘要：本文淺析了大電流電力電子變流設備的常用冷卻方法，對水冷卻所使用的水質及水回路電阻進行了分析，進而得出既就是采用純水冷卻，其絕緣電阻也是有限的，使用中也要浪費電能造成附加損耗，對高電壓大電流電力電子變流設備應增加水冷卻管路的有效長度，只有這樣才能減小因水質原因造成的能量。

　　一、引言

　　眾所周知，由于各種電力電子器件導通工作時總有壓降、阻斷或截止工作時定有漏電流流過，所以，電力電子器件在工作時都要發(fā)熱，一個設計可靠的電力電子變流設備應能對這些熱量具有及時散熱措施，避免熱積累，保證長期工作時電力電子器件的殼溫及結溫在安全工作值之下，如今隨著工業(yè)中對電力電子變流設備輸出電流需求的日益增大，至今用于電力電子變流設備中保障其散熱，而使其長期可靠工作的冷卻介質和方法有：采用自然冷卻的金屬散熱器，采用油浸冷卻的管式及板式散熱器，強迫風冷卻的散熱器風道，強迫水冷卻的水包，熱管散熱器等等，一般對工作時輸出電流在3kA以上的電力電子變流設備，電力電子行業(yè)的工程師們更喜歡采用水冷卻方式，其原因是水冷卻方式冷卻功率大，冷卻效果好，本文不想對其他冷卻方式進行分析，而僅對水冷卻方式的存在問題，冷卻時應注意的事項和水冷卻方式造成的附加功率損耗，以及各種冷卻水的附加損耗大小進行分析和比較，以期拋磚引玉，引起同行們的重視。

　　二、水冷卻方案中的冷卻水質及水路分析

　　2.1 常見冷卻水源

　　在國內(nèi)電力電子變流設備行業(yè)，因電化學、電解、有色金屬加工及冶煉使用的需要，決定了在這些場合電力電子變流設備的輸出電流多在3kA以上，所以往往采用水冷卻方案，常見的有電解、電鍍、電弧爐、碳化硅、中頻感應加熱用電力電子變流設備，且隨輸出電壓等級及用戶是否愿投資等等的不同，多采用城市自來水、外購純凈水、自備工業(yè)水池中的循環(huán)水或安裝水處理器處理后的水質作為冷卻水源，由于這些水質的純凈度，含雜質情況的不同，會對被冷卻電力電子變流設備的使用壽命造成很大影響，同時冷卻時造成的附加功率損耗也會有很大的不同。

　　2.2 主電路結構與水路連接

　　無論采用何種冷卻水源，電力電子變流設備的常見主電路結構和水回路連接都是采用一個總進水管和一個總出水管，然后在電力電子變流設備內(nèi)部按進行電力電子變流的器件臂的個數(shù)和不同相數(shù)或是否有保護用熔斷器臂而分為多個分進水管和分出水管，通常總進水管與總出水管采用不銹鋼管或鋼管或PVC管，而分水管使用可承受3～5kg壓力的塑料水管。圖1給出了陜西高科電力電子有限責任公司生產(chǎn)的50kW中頻電力電子變流設備的水路結構圖和主電路原理簡圖。從該圖可以明顯看出，主電路中不同相及不同母線間的電壓是不同的，冷卻過程中通過冷卻水路將這些不同電壓相位或不同電壓的母線連接在一起，所有晶閘管是采用雙面水冷卻的，為提高絕緣強度使用中把三相橋式全控整流

　　圖1 500kW感應加熱用晶閘管中頻電力電子變流設備的主電路原理及水路連接圖

　　a) 主電路原理簡圖 b) 水路結構圖

　　圖2給出了陜西高科電力電子有限責任公司生產(chǎn)的采用三相橋式同相逆并聯(lián)可控整流的6脈波，直流輸出30kA/500V的電解用電力電子變流設備的主電路原理圖及冷卻水路連接圖，應注意的是，主電路圖中每個晶閘管代表了圖2b所示的5個晶閘管元件的并聯(lián)組，而圖2b僅畫出了一組整流臂的快速熔斷器臂和晶閘管器件臂的水路連接圖，顯見快速熔斷器臂與晶閘管元件使用雙面冷卻，而快速熔斷器為單面冷卻，每組整流臂共有3個分進水管和3個分出水管，因該電力電子變流設備共有12個整流臂，故總共有38個分進水管和38個分出水管，其中已考慮了正負匯流母線的進出水管，從圖2可見，不同電位的交流及直流母線之間是通過冷卻水管連接在一起的，同樣存在運行中各分水管通水后通過總進出水管將不同電壓的器件連接在一起，因而水質及水的絕緣性能對該電力電子變流設備的安全可靠運行及附加功率損耗的大小有著決定性的作用。

　　圖2 采用三相橋式同相逆并聯(lián)可控整流的主電路結構和一個整流臂的水路連接圖

　　a) 主電路原理圖 b) 水路連接圖

　　三、冷卻水質及附加功率損耗的分析與計算

　　隨著電力電子變流設備主電路工作電壓高低及輸出電流大小和應用場合以及所使用該變流設備用途的不同，冷卻水的水源有城市自來水、飲用純凈水、電廠購純水、循環(huán)水池工業(yè)用水以及專用水處理器處理后的水五種，為了分析不同水源水質絕緣性能和水的電阻率，我們曾專門進行了測試，測試電路如圖3所示，其中PVC管內(nèi)徑為Ф14.3mm,測試結果如表1所列。

　　從該表顯見，在同樣的水截面S與水路長度之條件下，電廠購得的純水其絕緣電阻最大，絕緣性能也最好，另一方面，我們可以明顯看到無論采用什么樣的冷卻水，其絕緣電阻都不是無窮大，所以總要有漏電流，總要消耗費電功率，總會給使用者造成附加功率損耗，因而對額定運行電壓較高的電力電子變流設備，其水路應人為加長，以減小附加功率和提高絕緣電阻。

　　四、因冷卻水絕緣電阻有限引起的附加損耗計算

　　為了說明冷卻水引起的附加功率損耗，現(xiàn)分別針對圖1與圖2所示的兩個電力電子變流設備的水路引起的附加損耗進行計算。

　　1.500kW感應加熱用中頻電力電子變流設備的附加損耗

　　為方便計算，考慮圖1中所示的水路長度，根據(jù)柜內(nèi)電力電子器件的安裝位置減去晶閘管及電抗器的有效長度便可得到實際水路的長度及不同水質的絕緣電阻如表2所列，計算中考慮到一般總匯水管為鋼質直接安裝在柜殼上，而柜殼幾乎都是接地的實情。

　　2.500V/30kA電解用電力電子變流設備冷卻水引起的附加損耗

　　從圖3可以看出，500V/30kA電解用電力電子變流設備共有38個進水管和38個出水管，表4給出了其水路長度和不同冷卻水質時的水絕緣電阻，而表5給出了不同冷卻水質時的附加功耗，同樣看出電廠購得的純水冷卻，其絕緣性能最好，附加損耗最低，而以工業(yè)水池中循環(huán)水的絕緣性能最差，用其冷卻附加功率損耗最大,，每小時消耗的功率損失為4.72795kW，按年生產(chǎn)350天計算，年共造成附加損耗39714.76度, 若按每度電0.78元計算,年共造成電費損失30977.51元。