電子負荷閥組自冷散熱器溫升分析

蔡 恒，李成博，陳 輝，宋 戈

(1.常州博瑞電力自動化設備有限公司，江蘇 常州 213025； 2.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211100)

電子負荷裝置主要運用于自備發(fā)電廠中，不與外部電網(wǎng)相連，只為滿足本地負荷的需求。但發(fā)電系統(tǒng)自身的功率響應調(diào)節(jié)速度較慢，如果負載功率幅值波動較大、變動頻繁，容易導致發(fā)電量與用電量不匹配，致使自備發(fā)電系統(tǒng)頻率不穩(wěn)定，引發(fā)頻繁跳閘。

電子負荷閥組通過晶閘管閥[1-2]串聯(lián)電阻和電感，利用相控調(diào)壓原理，持續(xù)調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角度，改變電阻兩端的電壓，從而有效控制電阻消耗多余的發(fā)電量，使電力穩(wěn)定運行。

由于電子負荷閥組正常運行時間較短，使用頻率低，因此采用自冷散熱器帶走晶閘管產(chǎn)生的熱量。與水冷相比，使用自冷散熱器可省去昂貴的水冷設備費用，降低各種風險和維護成本[3-4]。與強迫風冷相比，使用自冷散熱器不需要風道結(jié)構(gòu)，整個閥室的密封性好，不會受到外界污穢的影響[5-6]。

1 晶閘管導熱原理

電子負荷閥組采用的是圓盤式晶閘管，由于開通時的功率損耗，在晶閘管內(nèi)部P-N結(jié)附近會產(chǎn)生較多的熱量。本工程采用圓盤式晶閘管，上下的銅盤面既是導電面也是散熱面。為了讓晶閘管快速冷卻，通常在上下盤面處安裝散熱器[7-8]，如圖1所示。

圖1 晶閘管散熱示意圖Fig.1 Diagram of thyristor heat dissipation

熱量最先從晶閘管的P-N結(jié)(j)傳遞到管殼(c)，熱阻[9-10]簡寫為Rjc。熱量從管殼(c)傳遞到散熱器(h)，熱阻簡寫為Rch。熱量從散熱器(h)傳遞到周圍的空氣(a)，熱阻簡寫為Rha。由于晶閘管管殼傳遞到周圍空氣的熱量相對較少，因而不考慮管殼和空氣的接觸熱阻，所以整個熱傳導的過程中的總熱阻R為：R=Rha+Rch+Rjc，其中，熱阻的單位為℃/W。

通過溫升仿真來驗證自冷散熱器是否滿足使用要求，從而減少試驗次數(shù)，通過溫升試驗來驗證自冷散熱器樣機的性能。

2 正常工況下的溫升仿真分析

正常工況下，晶閘管損耗為635 W，環(huán)境最高溫度為40℃，自冷散熱器的溫升不超過45℃，本工程閥室內(nèi)的環(huán)境溫度由工業(yè)空調(diào)來控制。

2.1 自冷散熱器結(jié)構(gòu)

自冷散熱器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，1是晶閘管，2是散熱器基板，3是絕緣板，4是散熱器翅片，5是熱管。晶閘管的熱量傳導至散熱器基板，通過熱管將熱量快速傳導至散熱器翅片上。自冷散熱器的原理是將元器件所產(chǎn)生的熱量迅速傳導至更大的散熱面來進行散熱。

圖2 自冷散熱器結(jié)構(gòu)Fig.2 Self cooling radiator construction

2.2 仿真模型的建立

利用某有限元軟件，對自冷散熱器進行溫升仿真。將自冷散熱器的三維模型簡化，去除不必要的零件，導入到有限元軟件中，建立合適的流體域，如圖3所示。

圖3 自冷散熱器仿真模型Fig.3 Simulation model of self cooling radiator

圖中藍色實線所包裹的長方體為仿真計算的流體域。所設置的流體計算域和真實的空間相符。

2.3 仿真參數(shù)設置

依據(jù)相關(guān)參數(shù)進行邊界條件的設置，每個晶閘管的發(fā)熱量為635 W，由于是雙面散熱，因而單面發(fā)熱量為317.5 W，環(huán)境溫度設定為40℃。

散熱器材料為鋁，熱管為新建的特殊材料，導熱系數(shù)為40 000 W/mk。

邊界條件設置完成后，進行模型的網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格類型為六面體占優(yōu)網(wǎng)格，模型的網(wǎng)格劃分情況如圖4所示。

圖4 仿真模型網(wǎng)格劃分Fig.4 Division of simulation model meshing

劃分之后，網(wǎng)格單元為2 525 828個，網(wǎng)格節(jié)點為2 597 917個，網(wǎng)格質(zhì)量面對齊率是0.42，通常面對齊率要求大于0.15，因此網(wǎng)格質(zhì)量較好，可進行仿真求解。

2.4 正常工況溫升求解

設置完仿真參數(shù)，網(wǎng)格劃分好后，進行結(jié)果的求解，經(jīng)過迭代計算，結(jié)果得到收斂，自冷散熱器的溫升結(jié)果如圖5所示。

圖5 自冷散熱器溫度云圖Fig.5 Self cooling radiator temperature cloud

由溫度云圖可以得到晶閘管盤面與自冷散熱器接觸面處的溫度，最高為78.57℃，散熱器溫升為38.57℃，因此在正常工況下自冷散熱器可滿足使用需求。

3 異常工況下的溫升仿真分析

異常工況下，晶閘管損耗為850 W，環(huán)境最高溫度為55℃，3 min后，自冷散熱器的表面溫度不超過85℃。

與常規(guī)工況仿真過程的不同之處是，異常工況為瞬態(tài)求解，需設置時間步長，總的時間設置為180 s，邊界條件及網(wǎng)格劃分均與正常工況相同。

仿真參數(shù)與網(wǎng)格劃分設置完成后進行溫升計算，當?shù)嬎氵_到收斂時，所得到的自冷散熱器的溫升云圖如圖6所示。

圖6 自冷散熱器溫度云圖Fig.6 Self cooling radiator temperature cloud

由溫度云圖分析得到，自冷散熱器和晶閘管盤面接觸的地方最高溫度為79.75℃，表面最高溫度沒有超過85℃，因此在異常工況下自冷散熱器可滿足使用需求。

4 試驗驗證

為驗證自冷散熱器實際的溫升性能，進行了正常工況下的溫升試驗，溫升試驗平臺如圖7所示。

圖7 溫升試驗平臺Fig.7 Temperature rise test platform

在自冷散熱器基板上放置了635 W的熱源，并在散熱器基板上預埋了測溫線，測取達到穩(wěn)態(tài)時散熱器基板表面的最高溫度。

圖8 散熱器表面最高溫度Fig.8 Maximum temperature of heat sink surface

試驗的環(huán)境溫度為26.7℃，試驗結(jié)果如圖8所示，最終達到穩(wěn)態(tài)時，自冷散熱器表面的最高溫度為64.7℃，所以自冷散熱器表面最高溫度和環(huán)境溫度的溫差是38℃，而正常工況下的溫升仿真結(jié)果與環(huán)境溫度的溫差是38.57℃，誤差為1.5%，仿真與試驗結(jié)果偏差較小，可認為此自冷散熱器在散熱性能方面是滿足設計要求的。

5 結(jié)束語

基于某電子負荷工程晶閘管閥組的實際散熱需求，對自冷散熱器開展了溫升仿真，對溫升仿真結(jié)果滿足需求的樣品進行了正常工況下的溫升試驗，驗證了仿真結(jié)果的準確性，設計出了滿足要求的自冷散熱器。