前言
在大功率電解整流器的設計中，散熱是需要考慮的核心問題之一。散熱設計包括功率器件選型、散熱方式的確定、散熱器件的選型計算等，其目的是限制整流器內(nèi)部所有元器件尤其是功率器件的溫升，使之在運行的工作環(huán)境下不超過最高允許溫度。
1. 冷卻方式
整流器采用的冷卻系統(tǒng)應該便于維護，并能適用于特定的環(huán)境條件，同時滿足可靠性要求?？諝?、油和水作為常用的三種對流介質(zhì)，對流冷卻能力的比率約為1:10:100，這三種冷卻介質(zhì)的特性見表1【1】。由于大功率電解整流器的電流較大，與之相應的快熔損耗和母排損耗也較大，采用風冷方式已不能滿足設備散熱的要求。介質(zhì)為油的冷卻方式可免除對冷卻母線的腐蝕，并且油的絕緣性能好、凝固點較低，因而適用于高電壓和低溫環(huán)境，但油的缺點是熱對流系數(shù)小，維護較困難。水冷系統(tǒng)具有成本低、易于維護、環(huán)保、冷卻能力強等優(yōu)點，因而在大功率整流設備中得到了廣泛應用【2】。
表1 不同介質(zhì)和不同對流類型的熱對流系數(shù)
2. 整流器功耗計算
整流器功率損耗包括可控硅損耗、快熔損耗、母排損耗、吸收電路損耗等。
2．1可控硅損耗計算【3】
（1）
其中:
2．2快速熔斷器損耗計算
快速熔斷器功率損耗可按下式計算
（2）
式中:
快速熔斷器功率損耗也可通過計算出流過熔體電流的有效值與額定電流的比值，查相應的曲線得功率損耗系數(shù)，再與快速熔斷器額定電流下?lián)p耗相乘，得出在此運行電流下的功率損耗。
2．3母線功率損耗計算【4】
并聯(lián)元件段和快速熔斷器段母線電流常為階梯分布，該段母線功率損耗近似計算如下：
2．4 換相過電壓保護RC中的電阻損耗
2．5交流側(cè)三相阻容吸收的電阻損耗
在較大直流負載條件下，整流變壓器閥側(cè)電壓的畸變是不可忽略的，對于三相阻容吸收的電阻損耗可近似按下式計算：
表2 諧波電流作用系數(shù)
推薦值
|
換相角ｕ |
0° |
15° |
30° |
45° |
60° |
|
|
1.0 |
1.3 |
2.5 |
3.5 |
4.0 |
3. 冷卻水路設計
整流器功率損耗產(chǎn)生的熱量通過傳導、對流、輻射的形式傳遞，其中大部分的熱量將以冷卻水對流的形式帶走。根據(jù)熱平衡原則，由冷卻水帶走的熱量：
（7）
式中:
——在整流器中，其發(fā)熱量主要由水帶走的那部分功率損耗之和。一些小的損耗，如換相過電壓保護RC中的電阻損耗、交流側(cè)三相阻容吸收的電阻損耗，主要通過周圍空氣散熱，將不計入
中。
3．1 計算整流柜冷卻水流量
整流器冷卻水流量可按下式計算：
（8）
式中：
——整流柜冷卻水出口水溫與入口水溫之差，不宜大于5～10℃，或按用戶要求確定。
3．2 各支路水流量配置
硅母排、硅水包、快熔母排、匯流母排等各部分所需的水流量也可按式（8）來計算。如單根硅母排所需的水流量計算如下：
（9）
各部分所需的水流量計算完成后，將進行各支路的水流量的分配組合配置。在整流器水冷系統(tǒng)設計中，確定總支管路數(shù)和各支路的流量十分關鍵。
一般地，整流器設有冷卻水進水管和出水管，各冷卻水支路分別與此兩管相連接。整流器冷卻水管路可看成是并聯(lián)管路系統(tǒng)，根據(jù)并聯(lián)管路計算原則：總流量等于各支管中流量之和；并聯(lián)各支管上的阻力損失相等?？偟淖杩蛊椒礁箶?shù)等于各支管阻抗平方根倒數(shù)之和，如下述表達式【5】：
（10）
（11）
（12）
（13）
其中：
Ｑ ——并聯(lián)管路總流量
Ｓ——并聯(lián)管路總阻抗
——支管1至支管N的流量
——支管1至支管N的阻抗
配置冷卻水支路時可遵循以下幾個原則：
a、分配各支路的水流量使之盡量一致；
b、對所需水流量較大的部分可分配2個或多個水支路；
c、對所需水流量較小的部分，可根據(jù)電位相同或接近的情況，將其水路串聯(lián)進其它水支路，或多個所需水流量較小的部分水路串聯(lián)成一水支路，經(jīng)串聯(lián)的水支路的流量為各串聯(lián)部分流量之和；
d、根據(jù)公式（13）來確定各水支路的長度。一般地，整流柜中各水支路中都使用同一類型的軟管連接，可近似看成各水支路的管徑（即截面積）相同，并近似認為各支管的阻抗與其管路長度成正比。
4. 可控硅結(jié)溫檢查及水流量驗證
在穩(wěn)態(tài)情況下，可控硅結(jié)溫可按下式計算【3】：
（14）
其中， 
——冷卻水溫度；
—單個可控硅的總損耗；
——可控硅結(jié)—殼熱阻；
——在1200方波下產(chǎn)生的附加熱阻；
——可控硅表面熱阻；
——母排或水包熱阻；
——母排或水包溫度與冷卻水溫度之差。
冷卻水與母排的溫差越大，則所用的冷卻水量越小?？砂丛O計要求確定
值，然后按下面的計算得出硅母排的最小流量，與式（9）計算值進行對比驗證。當計算得出的硅母排最小流量小于式（9）計算值時，說明
小于設計要求值，水路設計符合要求。當硅母排最小流量大于式（9）計算值時，需增大冷卻水的總流量，并重新設計修改冷卻水支路，增大硅母排的冷卻水流量，達到最小流量值。
計算硅母排的最小流量，首先計算出需要的傳熱系數(shù)：
（15）
式中：
Ａ——母排傳熱內(nèi)表面積，
ｄ為的母排內(nèi)水通道內(nèi)徑，ｌ為母排內(nèi)冷卻水通道長度；
再計算冷卻水流速：
（16）
式中：
——與水有關的常數(shù)，從表3可得；
ｄ——母排內(nèi)水通道內(nèi)徑；
——按平均水溫確定的水的勃蘭德爾準則數(shù)，見表3【2】；
——按管壁平均溫度確定的水的勃蘭德爾準則數(shù)，見表3【2】。
表3 與水有關的常數(shù)
|
水或管壁溫度（℃） |
0 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
|
常數(shù) |
1200 |
1370 |
1580 |
1750 |
1900 |
2050 |
2180 |
2300 |
2420 |
2540 |
2640 |
|
勃蘭德爾準則數(shù) |
13.67 |
9.52 |
7.02 |
5.42 |
4.31 |
3.54 |
2.98 |
2.55 |
2.21 |
1.95 |
1.75 |
通過冷卻水流速，可計算出硅母排的最小流量：
（17）
5.對水質(zhì)的要求
由于自來水具有一定的導電性能，且對水冷母線有一定的腐蝕作用，一般采用蒸餾水或去離子水，要求其PH值介于7~9之間，氯化物含量不大于20PPM，固體含量不大于25PPM【2】。
圖為：不合格的冷卻水水管
在某個工程中，由于水質(zhì)受污染造成不銹鋼管路腐蝕，見圖1所示。不銹鋼管件受腐蝕通常為環(huán)境中存在的氯離子（Cl-）和硫酸根離子（SO42-），尤其以氯離子最為常見。有研究表明，水中存在5ppm以上的氯離子即會引起不銹鋼的點蝕。從現(xiàn)場水質(zhì)監(jiān)測表中可知，在使用一段時間后循環(huán)水中確實出現(xiàn)了Cl-。將氯離子帶入循環(huán)水系統(tǒng)中的原因是循環(huán)水管路沒有密封或密封不完好，導致環(huán)境中的污染介質(zhì)溶于循環(huán)水。而循環(huán)水凈化所選用的離子交換樹脂卻為聚苯乙烯磺酸鹽，它是一種陽離子交換樹脂，無法去除循環(huán)冷卻水中的Cl-、SO42-等陰離子，因此造成循環(huán)水管路的腐蝕。解決的措施是密封循環(huán)水管路系統(tǒng)并確保所購置的離子交換樹脂為陰陽離子混合型離子交換樹脂。需要進一步說明的是：工廠為降低成本，失效后的離子交換樹脂一般會進行再生使用，而在再生過程中會引入Cl-、酸等腐蝕性介質(zhì)，如再生后離子交換樹脂未進行充分的清洗，將會將腐蝕介質(zhì)帶入到循環(huán)水中，從而造成循環(huán)水管路的腐蝕。因此，離子交換樹脂在投入使用前，應用純水對再生后的離子交換樹脂進行充分沖洗。
塑料管老化也是水冷系統(tǒng)常見的現(xiàn)象，見圖2所示。水溫過高會加速塑料管老化，因此一般要求冷卻水進水口溫度不超過35℃，冷卻水溫升不超過10℃。
6.結(jié)束語
大功率電解整流器功率損耗和冷卻水流量的計算方法，以及冷卻水支路的配置方法等，為整流器水冷系統(tǒng)設計提供了依據(jù)。
本文主要介紹了整流器功率損耗的計算方法和冷卻水流量的確定，以及冷卻水支路的配置方法等，為整流器水冷系統(tǒng)設計提供了依據(jù)。本文僅從工程角度進行簡化計算，水路本身的阻力損失、輻射散熱和空氣自然對流散熱所引起的溫升沒有計算在內(nèi)。由于水路計算比較復雜，設計誤差在所難免，為保證整流設備可靠運行，一般在計算的基礎上增加10%~20%的裕量。