可控硅整流电路的蒸发冷却研究
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摘要
本文对可控硅整流电路采用蒸发冷却方式进行了理论分析和实验研究。可控硅整流电路中的主要部件是大功率硅整流器，大功率硅整流器是一种以晶闸管为主的电力电子器件，晶闸管是可控硅整流电路中最主要的发热元件，因此，文章主要针对晶闸管的散热问题展开研究。晶闸管作为一种电力电子器件，在强电领域有着极为广泛的应用，迄今为止，在直流输电、无功补偿等方面仍占据举足轻重的地位。晶闸管属于大功率的半导体器件，决定其允许通过电流大小的标准之一是温度的高低。因此，研究晶闸管的散热问题有着重要的意义。
文章首先介绍了蒸发冷却技术的广泛应用，列举了近几十年蒸发冷却技术在电气设备降温方面取得的成就，从而可以看出这种新型的电气设备冷却方式的良好发展前景。然后详细阐述了制冷剂的选用原则，通过对以往电气设备常用的制冷剂及新合成的制冷剂进行分析比较，根据不同制冷剂的特点，针对晶闸管在可控硅整流电路中的工作特点，暂选氟里昂R113为本文实验用冷却介质。
文章在对晶闸管传统冷却方式深入透彻理解的基础上，从理论上分析了可控硅整流电路采用蒸发冷却技术的可行性以及引入调压系统的可行性和必要性，进而又进行了实验研究。从晶闸管相对于环境的表面温升和晶闸管与环境间的热阻两方面入手，证明了可控硅整流电路采用蒸发冷却方式是可行的，通过与其它散热方式相应参数的比较，验证了这种冷却方式的优越性，再一次证明了蒸发冷却是大功率电气设备降温的最好途径。
The paper studied the evaporative cooling system of SCR commute circuit in theory and experiments. The main component in the commute circuit is controlled silicon rectifier. The controlled silicon rectifier is a kind of electric and electron component and the mostly component of it is thyristor. During the working, thyristor will produce a great quantity of heat. So, the central problem of this article is cooling. As an electric and electron component, the application field of thyristor is very wide. To these days, in the fields of direct current transfer, reactive power compensator, etc, thyristor still play an important role. Thyristor is a high-power semiconductor device, and the standard of its rated current is temperature. So, the study of cooling is a matter of great significance.
Firstly, the article stated the wide application of evaporative cooling technology. Enumerated some achievement on the application of large electrical equipment in resent years. From these, we'll found the excellent future of evaporative cooling technology. Secondly, discussed the selection of coolants. By comparing the different character of coolants, which used on the electrical equipments and newly developed ones, and analyzing the cooling condition in commute circuit, Rl 13 was chosen for the research.
Thirdly, the article analyzed the impossibility of the evaporative cooling system of commute circuit and the importance of presser regulation system. After that, the evaporative cooling commute circuit system was build-up. The temperature of thyristor and the thermal resistant between thyristor and air was calculated. The corresponding parameter was compared in different cooling system. At last, we'll find the cooling effect of evaporative cooling system is excellent. Evaporative cooling is the best cooling style for large electncal equipment.
文章首先介绍了蒸发冷却技术的广泛应用，列举了近几十年蒸发冷却技术在电气设备降温方面取得的成就，从而可以看出这种新型的电气设备冷却方式的良好发展前景。然后详细阐述了制冷剂的选用原则，通过对以往电气设备常用的制冷剂及新合成的制冷剂进行分析比较，根据不同制冷剂的特点，针对晶闸管在可控硅整流电路中的工作特点，暂选氟里昂R113为本文实验用冷却介质。
文章在对晶闸管传统冷却方式深入透彻理解的基础上，从理论上分析了可控硅整流电路采用蒸发冷却技术的可行性以及引入调压系统的可行性和必要性，进而又进行了实验研究。从晶闸管相对于环境的表面温升和晶闸管与环境间的热阻两方面入手，证明了可控硅整流电路采用蒸发冷却方式是可行的，通过与其它散热方式相应参数的比较，验证了这种冷却方式的优越性，再一次证明了蒸发冷却是大功率电气设备降温的最好途径。
The paper studied the evaporative cooling system of SCR commute circuit in theory and experiments. The main component in the commute circuit is controlled silicon rectifier. The controlled silicon rectifier is a kind of electric and electron component and the mostly component of it is thyristor. During the working, thyristor will produce a great quantity of heat. So, the central problem of this article is cooling. As an electric and electron component, the application field of thyristor is very wide. To these days, in the fields of direct current transfer, reactive power compensator, etc, thyristor still play an important role. Thyristor is a high-power semiconductor device, and the standard of its rated current is temperature. So, the study of cooling is a matter of great significance.
Firstly, the article stated the wide application of evaporative cooling technology. Enumerated some achievement on the application of large electrical equipment in resent years. From these, we'll found the excellent future of evaporative cooling technology. Secondly, discussed the selection of coolants. By comparing the different character of coolants, which used on the electrical equipments and newly developed ones, and analyzing the cooling condition in commute circuit, Rl 13 was chosen for the research.
Thirdly, the article analyzed the impossibility of the evaporative cooling system of commute circuit and the importance of presser regulation system. After that, the evaporative cooling commute circuit system was build-up. The temperature of thyristor and the thermal resistant between thyristor and air was calculated. The corresponding parameter was compared in different cooling system. At last, we'll find the cooling effect of evaporative cooling system is excellent. Evaporative cooling is the best cooling style for large electncal equipment.
引文
[1] 孟庆林，李建成，汪志舞，等．广州城市气候资源与被动蒸发冷却技术的应用．热带地理．1998，18 (2)：168～171
[2] 由世俊，张欢，刘耀浩，等。蒸发式空气加湿冷却器的性能及其在风冷冷水机组中的应用．暖通与空调．1999，13：41～43
[3] 盛昌达．三峡工程发电机采用蒸发冷却技术的可行性．中国电力．1994，3：2～18
[4] 罔田定五，等．轧机传动用晶闸管变流器的新冷却方式．国外电气自动化．1987，4：48～54
[5] 刘素敏译．特超蒸发冷却热解石墨栅四极管TH581．汤母逊公司产品样本．1988，9：51～64
[6] 欧阳彬译．蒸发冷却功率四极管．国外发射管．1988，5：28～38
[7] A．Steimel．蒸发冷却GTO逆变器和晶体管辅助逆变器在电传动内燃机车上的应用．国外内燃机车．1991，1：23～30
[8] A．Steimel．蒸发冷却式GTO逆变器和晶体管辅助逆变器在内燃机车上的应用．机车电传动．1991，5：51～56
[9] 秦贤满．晶闸管和散热器相关的内外在特性．电力电子技术．1991，1：52-54
[10] 朱玉霞．可控硅装置的散热计算和分析．电气传动．1986，4：44-51
[11] 李泉明，陆正柏，李隆健．树枝状风冷型材散热器流动阻力的计算．电力电子技术．1993，27 (1)：47～49
[12] 易勇．大功率晶闸管风冷组件式型材散热器的传热研究．1994
[13] 李泉明，李隆健．大功率晶闸管用的树状基肋型风冷型材散热器传热分析及三维传热．电力电子技术．1992，4：45-49
[14] 杨旭，马静，张新武，王兆安．电力电子装置强制风冷散热方式的研究．电力电子技术，2000，4：36～38
[15] 李泉明，邵晓萍．地铁机车牵引调速装置GTO组件用散热器的实验方法及实验结果分析．中国电工技术学会电力电子学会第六次全国学术会议论文集．1997，190～197
[16] 用热管冷却的晶闸管(英)．电工文摘．1985，5：99
[17] 晶闸管用的热管冷却器-功率喷射器(日)．电工文摘．1986，89
[18] 李传统，丁国玺．防爆外壳内大功率可控硅元件热管冷却的实验研究．中国矿业大学学报．1990，19 (1)
[19] 胡桅林，周宜辉．热虹吸式风冷散热器的沸腾滞后现缘及其对散热器性能的影响．中国工程热物理学会传热传质学术会议论文集．1994，56～61
[20] 黄定寅．大功率晶闸管风冷重力热管散热器的新结构与传热试验．节能．1993，2：15-17
[21] A. Kudo, et al. Development of 275KV cooled type gas-Insulated power transgormer. IEEE Transactions on Power Delivery. 1993, 8 (1)
[22] 前田忠就，等．气体绝缘变压器的开发动向．电气学会杂志．1993，8(1)：昭-61
[23] C. L. Moore, et al. Design and performance characteristics of gas/vapor transformers. IEEE Power Engineering Review. 1982(7)
[24] 徐国政．自冷式气体绝缘变压器温升分布的计算方法．中国电机工程学报．1997，17 (2)
[25] T. Sato, et al. Cooling effect by gas SF6 insulated transformer. IEEE Transaction on PAS. 1982, 101(7)
[26] 李中元．SF6在变压器应用中的电气性能，1991，28 (11)
[27] 王冠军．SF6气体绝缘变压器的绝缘特性，1994，31 (4)：34～39
[28] 王振武．气体绝缘变压器技术的发展．电气技术．1983，2
[29] Fritz, W. und Ende, W., Phys. Z., 1936, 37: 643
[30] Rohsenow W. M. Trans. ASME. 1974, 969～1952
[31] Kutatelatze S. S. Heat Transfer in Condensation and Boiling. AEC-Translation. 1952, 3770
[32] Cooper MG. Saturation mucleate pool boiling-a simple correlation. Int. Chem Engng Syrup Set. 1984, 86: 785～792
[33] 殷纯华，胡桅林．型材散热器瞬态热阻及测试方法的研究．中国电工技术学会电力电子学会第四次全国学术会议论文集．1990，125～129
[34] 盛维诚．400A／150A2500V逆导晶闸管配氟罐冷却的应用试验研究．中国电工技术学会电力电子学会第三届年会论文集．1986，18～20
[35] 陈力才，吴济钧．大功率晶闸管直接浸入氟里昂的冷却技术．电力电子技术．
[36] 张秀澹译．轧机传动用晶闸管变流器的新冷却方式．国外电气自动化．1987，4：48～54
[37] 牵引晶闸管变流器的浸液蒸发冷却．1990，8
[38] Wiegner G．牵引变流器的沸腾冷却．Siedebadk(?)hlung f(?)r Fahrzeugstromrichter Erfahrungen，neue Anwendungen und Ausblick．ZEV．1989，113(2)
[39] 张继贵译．滚轧机传动用晶闸管变流器的新冷却方式．电力牵引快报．1987，13：6～13
[40] 徐陵译．牵引变流器蒸发冷却的应用经验及展望．国外内燃机车．1996，9：10-19
[41] 秦贤满．晶闸管和散热器相关的内外在特性．电力电子技术．1991，1：52-54
[42] 黄定寅．电力晶闸管热管散热器的新结构与传热试验．电力电子技术．1993，4：55～57
[43] 庞银锁，董东甫．简述热管散热技术及其在铁路机车上的应用实例．中国电工技术学会电力电子学会第六次全国学术会议论文集．1998，198～202
[44] 田景耀．氟利昂沸腾冷却技术．中国电工技术学会电力电子学会第四次全国学术会议论文集．1990，156～159
[45] 杨世铭．传热学．高等教育出版社．1980
[46] H, Iversen, Stephen Whitaker. A Uniform Temperature, Ultra-High Heat Flux Liquid-Cooled, Power Semiconductor Package. IEEE Transaction on Industry Applications. 1991, 27(1)
[47] H. P. Lips, Erlangen. Water Cooling of HVDC Thyristor Valves. IEEE Transactions on Power Delivery. 1994, 9(4)
[48] D. Y. Goswami, G. D. Mathur, S. M. Kulkarnl. Experimental Investigation of Performance ora Residential Air Conditioning System with an Evaporative Cooled Condenser. Transactions of the ASME. 1993, 115
[49] J, L. Peterxon, P. E. an EffEctiveness Model for Indirect Evaporative Coolers. ASHRAE Transactions. 1993, 99
[50] E. Lu, G. Brormer. Computer-Aided Methods of Determining Thyristor Thermal Transients. IEEE Transactions on Energy Conversion. 1990, 5(4)
[51] 辛明道．沸腾传热及其强化．重庆大学出版社．1987
[52] 翁中杰，程惠尔，戴华淦．传热学．上海交通大学出版社．1987
[53] 西川兼康，藤田恭伸．传热学．兵器工业出版社．1981
[54] 杨威，张金栋．电力电子技术．重庆大学出版社．1995
[55] 马鹤亭，等．电力电子器件．浙江大学出版社．1986
[56] 陆煜，程林．传热原理与分析．科学出版社，1997
[57] 沈维道，等．工程热力学．高等教育出版社．1983
[58] 曹惠玲．电气设备降温的应用基础研究．1998
[59] 朱聘冠．换热器原理及计算，清华大学出版社
[60] 史美中，王中铮．热交换器原理与设计．东南大学出版社．1998
[61] J．G．科利尔著，魏先英译．对流沸腾和凝结，科学技术出版社．1982
[2] 由世俊，张欢，刘耀浩，等。蒸发式空气加湿冷却器的性能及其在风冷冷水机组中的应用．暖通与空调．1999，13：41～43
[3] 盛昌达．三峡工程发电机采用蒸发冷却技术的可行性．中国电力．1994，3：2～18
[4] 罔田定五，等．轧机传动用晶闸管变流器的新冷却方式．国外电气自动化．1987，4：48～54
[5] 刘素敏译．特超蒸发冷却热解石墨栅四极管TH581．汤母逊公司产品样本．1988，9：51～64
[6] 欧阳彬译．蒸发冷却功率四极管．国外发射管．1988，5：28～38
[7] A．Steimel．蒸发冷却GTO逆变器和晶体管辅助逆变器在电传动内燃机车上的应用．国外内燃机车．1991，1：23～30
[8] A．Steimel．蒸发冷却式GTO逆变器和晶体管辅助逆变器在内燃机车上的应用．机车电传动．1991，5：51～56
[9] 秦贤满．晶闸管和散热器相关的内外在特性．电力电子技术．1991，1：52-54
[10] 朱玉霞．可控硅装置的散热计算和分析．电气传动．1986，4：44-51
[11] 李泉明，陆正柏，李隆健．树枝状风冷型材散热器流动阻力的计算．电力电子技术．1993，27 (1)：47～49
[12] 易勇．大功率晶闸管风冷组件式型材散热器的传热研究．1994
[13] 李泉明，李隆健．大功率晶闸管用的树状基肋型风冷型材散热器传热分析及三维传热．电力电子技术．1992，4：45-49
[14] 杨旭，马静，张新武，王兆安．电力电子装置强制风冷散热方式的研究．电力电子技术，2000，4：36～38
[15] 李泉明，邵晓萍．地铁机车牵引调速装置GTO组件用散热器的实验方法及实验结果分析．中国电工技术学会电力电子学会第六次全国学术会议论文集．1997，190～197
[16] 用热管冷却的晶闸管(英)．电工文摘．1985，5：99
[17] 晶闸管用的热管冷却器-功率喷射器(日)．电工文摘．1986，89
[18] 李传统，丁国玺．防爆外壳内大功率可控硅元件热管冷却的实验研究．中国矿业大学学报．1990，19 (1)
[19] 胡桅林，周宜辉．热虹吸式风冷散热器的沸腾滞后现缘及其对散热器性能的影响．中国工程热物理学会传热传质学术会议论文集．1994，56～61
[20] 黄定寅．大功率晶闸管风冷重力热管散热器的新结构与传热试验．节能．1993，2：15-17
[21] A. Kudo, et al. Development of 275KV cooled type gas-Insulated power transgormer. IEEE Transactions on Power Delivery. 1993, 8 (1)
[22] 前田忠就，等．气体绝缘变压器的开发动向．电气学会杂志．1993，8(1)：昭-61
[23] C. L. Moore, et al. Design and performance characteristics of gas/vapor transformers. IEEE Power Engineering Review. 1982(7)
[24] 徐国政．自冷式气体绝缘变压器温升分布的计算方法．中国电机工程学报．1997，17 (2)
[25] T. Sato, et al. Cooling effect by gas SF6 insulated transformer. IEEE Transaction on PAS. 1982, 101(7)
[26] 李中元．SF6在变压器应用中的电气性能，1991，28 (11)
[27] 王冠军．SF6气体绝缘变压器的绝缘特性，1994，31 (4)：34～39
[28] 王振武．气体绝缘变压器技术的发展．电气技术．1983，2
[29] Fritz, W. und Ende, W., Phys. Z., 1936, 37: 643
[30] Rohsenow W. M. Trans. ASME. 1974, 969～1952
[31] Kutatelatze S. S. Heat Transfer in Condensation and Boiling. AEC-Translation. 1952, 3770
[32] Cooper MG. Saturation mucleate pool boiling-a simple correlation. Int. Chem Engng Syrup Set. 1984, 86: 785～792
[33] 殷纯华，胡桅林．型材散热器瞬态热阻及测试方法的研究．中国电工技术学会电力电子学会第四次全国学术会议论文集．1990，125～129
[34] 盛维诚．400A／150A2500V逆导晶闸管配氟罐冷却的应用试验研究．中国电工技术学会电力电子学会第三届年会论文集．1986，18～20
[35] 陈力才，吴济钧．大功率晶闸管直接浸入氟里昂的冷却技术．电力电子技术．
[36] 张秀澹译．轧机传动用晶闸管变流器的新冷却方式．国外电气自动化．1987，4：48～54
[37] 牵引晶闸管变流器的浸液蒸发冷却．1990，8
[38] Wiegner G．牵引变流器的沸腾冷却．Siedebadk(?)hlung f(?)r Fahrzeugstromrichter Erfahrungen，neue Anwendungen und Ausblick．ZEV．1989，113(2)
[39] 张继贵译．滚轧机传动用晶闸管变流器的新冷却方式．电力牵引快报．1987，13：6～13
[40] 徐陵译．牵引变流器蒸发冷却的应用经验及展望．国外内燃机车．1996，9：10-19
[41] 秦贤满．晶闸管和散热器相关的内外在特性．电力电子技术．1991，1：52-54
[42] 黄定寅．电力晶闸管热管散热器的新结构与传热试验．电力电子技术．1993，4：55～57
[43] 庞银锁，董东甫．简述热管散热技术及其在铁路机车上的应用实例．中国电工技术学会电力电子学会第六次全国学术会议论文集．1998，198～202
[44] 田景耀．氟利昂沸腾冷却技术．中国电工技术学会电力电子学会第四次全国学术会议论文集．1990，156～159
[45] 杨世铭．传热学．高等教育出版社．1980
[46] H, Iversen, Stephen Whitaker. A Uniform Temperature, Ultra-High Heat Flux Liquid-Cooled, Power Semiconductor Package. IEEE Transaction on Industry Applications. 1991, 27(1)
[47] H. P. Lips, Erlangen. Water Cooling of HVDC Thyristor Valves. IEEE Transactions on Power Delivery. 1994, 9(4)
[48] D. Y. Goswami, G. D. Mathur, S. M. Kulkarnl. Experimental Investigation of Performance ora Residential Air Conditioning System with an Evaporative Cooled Condenser. Transactions of the ASME. 1993, 115
[49] J, L. Peterxon, P. E. an EffEctiveness Model for Indirect Evaporative Coolers. ASHRAE Transactions. 1993, 99
[50] E. Lu, G. Brormer. Computer-Aided Methods of Determining Thyristor Thermal Transients. IEEE Transactions on Energy Conversion. 1990, 5(4)
[51] 辛明道．沸腾传热及其强化．重庆大学出版社．1987
[52] 翁中杰，程惠尔，戴华淦．传热学．上海交通大学出版社．1987
[53] 西川兼康，藤田恭伸．传热学．兵器工业出版社．1981
[54] 杨威，张金栋．电力电子技术．重庆大学出版社．1995
[55] 马鹤亭，等．电力电子器件．浙江大学出版社．1986
[56] 陆煜，程林．传热原理与分析．科学出版社，1997
[57] 沈维道，等．工程热力学．高等教育出版社．1983
[58] 曹惠玲．电气设备降温的应用基础研究．1998
[59] 朱聘冠．换热器原理及计算，清华大学出版社
[60] 史美中，王中铮．热交换器原理与设计．东南大学出版社．1998
[61] J．G．科利尔著，魏先英译．对流沸腾和凝结，科学技术出版社．1982