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電廠中，不與外部電網相連，只為滿足本地負荷的需求。但發電系統自身的功率響應調節速度較慢，如果負載功率幅值波動較大、變動頻繁，容易導致發電量與用電量不匹配，致使自備發電系統頻率不穩定，引發頻繁跳閘。

電子負荷閥組通過晶閘管閥[1-2]串聯電阻和電感，利用相控調壓原理，持續調節晶閘管的觸發角度，改變電阻兩端的電壓，從而有效控制電阻消耗多余的發電量，使電力穩定運行。

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構，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，在晶閘管內部P-N結附近會產生較多的熱量。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(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，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℃，本工程閥室內的環境溫度由工業空調來控制。

2.1 自冷散熱器結構

自冷散熱器的結構如圖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 自冷散熱器結構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 仿真參數設置

依據相關參數進行邊界條件的設置，每個晶閘管的發熱量為635 W，由于是雙面散熱，因而單面發熱量為317.5 W，環境溫度設定為40℃。

散熱器材料為鋁，熱管為新建的特殊材料，導熱系數為40 000 W/mk。

邊界條件設置完成后，進行模型的網格劃分。網格類型為六面體占優網格，模型的網格劃分情況如圖4所示。

圖4 仿真模型網格劃分Fig.4 Division of simulation model meshing

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

2.4 正常工況溫升求解

設置完仿真參數，網格劃分好后，進行結果的求解，經過迭代計算，結果得到收斂，自冷散熱器的溫升結果如圖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℃。

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

仿真參數與網格劃分設置完成后進行溫升計算，當迭代計算達到收斂時，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，測取達到穩態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

試驗的環境溫度為26.7℃，試驗結果如圖8所示，最終達到穩態時，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境溫度的溫差是38℃，而正常工況下的溫升仿真結果與環境溫度的溫差是38.57℃，誤差為1.5%，仿真與試驗結果偏差較小，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，驗證了仿真結果的準確性，設計出了滿足要求的自冷散熱器。