浅谈大电流电力电子变流设备水冷却的附加损耗
李宏1 石宏2
1.西安石油大学 2.西安电力电子技术研究所
摘要：本文浅析了大电流电力电子变流设备的常用冷却方法，对水冷却所使用的水质及水回路电阻进行了分析，进而得出既就是采用纯水冷却，其绝缘电阻也是有限的，使用中也要浪费电能造成附加损耗，对高电压大电流电力电子变流设备应增加水冷却管路的有效长度，只有这样才能减小因水质原因造成的能量。
一、引言
众所周知，由于各种电力电子器件导通工作时总有压降、阻断或截止工作时定有漏电流流过，所以，电力电子器件在工作时都要发热，一个设计可靠的电力电子变流设备应能对这些热量具有及时散热措施，避免热积累，保证长期工作时电力电子器件的壳温及结温在安全工作值之下，如今随着工业中对电力电子变流设备输出电流需求的日益增大，至今用于电力电子变流设备中保障其散热，而使其长期可靠工作的冷却介质和方法有：采用自然冷却的金属散热器，采用油浸冷却的管式及板式散热器，强迫风冷却的散热器风道，强迫水冷却的水包，热管散热器等等，一般对工作时输出电流在3kA以上的电力电子变流设备，电力电子行业的工程师们更喜欢采用水冷却方式，其原因是水冷却方式冷却功率大，冷却效果好，本文不想对其他冷却方式进行分析，而仅对水冷却方式的存在问题，冷却时应注意的事项和水冷却方式造成的附加功率损耗，以及各种冷却水的附加损耗大小进行分析和比较，以期抛砖引玉，引起同行们的重视。
二、水冷却方案中的冷却水质及水路分析
2.1 常见冷却水源
在国内电力电子变流设备行业，因电化学、电解、有色金属加工及冶炼使用的需要，决定了在这些场合电力电子变流设备的输出电流多在3kA以上，所以往往采用水冷却方案，常见的有电解、电镀、电弧炉、碳化硅、中频感应加热用电力电子变流设备，且随输出电压等级及用户是否愿投资等等的不同，多采用城市自来水、外购纯净水、自备工业水池中的循环水或安装水处理器处理后的水质作为冷却水源，由于这些水质的纯净度，含杂质情况的不同，会对被冷却电力电子变流设备的使用寿命造成很大影响，同时冷却时造成的附加功率损耗也会有很大的不同。
2.2 主电路结构与水路连接
无论采用何种冷却水源，电力电子变流设备的常见主电路结构和水回路连接都是采用一个总进水管和一个总出水管，然后在电力电子变流设备内部按进行电力电子变流的器件臂的个数和不同相数或是否有保护用熔断器臂而分为多个分进水管和分出水管，通常总进水管与总出水管采用不锈钢管或钢管或PVC管，而分水管使用可承受3～5kg压力的塑料水管。图1给出了陕西高科电力电子有限责任公司生产的50kW中频电力电子变流设备的水路结构图和主电路原理简图。从该图可以明显看出，主电路中不同相及不同母线间的电压是不同的，冷却过程中通过冷却水路将这些不同电压相位或不同电压的母线连接在一起，所有晶闸管是采用双面水冷却的，为提高绝缘强度使用中把三相桥式全控整流
a)
b)
图1 500kW感应加热用晶闸管中频电力电子变流设备的主电路原理及水路连接图
a) 主电路原理简图 b) 水路结构图
图2给出了陕西高科电力电子有限责任公司生产的采用三相桥式同相逆并联可控整流的6脉波，直流输出30kA/500V的电解用电力电子变流设备的主电路原理图及冷却水路连接图，应注意的是，主电路图中每个晶闸管代表了图2b所示的5个晶闸管元件的并联组，而图2b仅画出了一组整流臂的快速熔断器臂和晶闸管器件臂的水路连接图，显见快速熔断器臂与晶闸管元件使用双面冷却，而快速熔断器为单面冷却，每组整流臂共有3个分进水管和3个分出水管，因该电力电子变流设备共有12个整流臂，故总共有38个分进水管和38个分出水管，其中已考虑了正负汇流母线的进出水管，从图2可见，不同电位的交流及直流母线之间是通过冷却水管连接在一起的，同样存在运行中各分水管通水后通过总进出水管将不同电压的器件连接在一起，因而水质及水的绝缘性能对该电力电子变流设备的安全可靠运行及附加功率损耗的大小有着决定性的作用。
a)
b)
图2 采用三相桥式同相逆并联可控整流的主电路结构和一个整流臂的水路连接图
a) 主电路原理图 b) 水路连接图
三、冷却水质及附加功率损耗的分析与计算
随着电力电子变流设备主电路工作电压高低及输出电流大小和应用场合以及所使用该变流设备用途的不同，冷却水的水源有城市自来水、饮用纯净水、电厂购纯水、循环水池工业用水以及专用水处理器处理后的水五种，为了分析不同水源水质绝缘性能和水的电阻率，我们曾专门进行了测试，测试电路如图3所示，其中PVC管内径为Ф14.3mm,测试结果如表1所列。
表1 不同水源冷却水的绝缘电阻与电阻率测试结果
|
水源种类
|
0.4米长度测的绝缘电阻
|
电阻率ρ
|
|
城市自来水
|
0.21MΩ
|
0.842754MΩ.cm2/m
|
|
康师傅矿泉水
|
0.22MΩ
|
0.882886MΩ.cm2/m
|
|
工业循环水池水
|
0.08MΩ
|
0.321049MΩ.cm2/m
|
|
电厂买纯水
|
3.17MΩ
|
12.7216MΩ.cm2/m
|
|
纯水处理器处理后水
|
1.48MΩ
|
5.939412MΩ.m2/m
|
表中绝缘电阻按下式(1)计算得到，而电阻率按下式(2) 计算得出, 式中S为PVC管内水的截面积，L为水路的长度。
Riso=U/I （1） ρ=RisoS/L (2)
图3 水阻的测量电路
从该表显见，在同样的水截面S与水路长度之条件下 ，电厂购得的纯水其绝缘电阻最大，绝缘性能也最好，另一方面，我们可以明显看到无论采用什么样的冷却水，其绝缘电阻都不是无穷大，所以总要有漏电流，总要消耗费电功率，总会给使用者造成附加功率损耗，因而对额定运行电压较高的电力电子变流设备，其水路应人为加长，以减小附加功率和提高绝缘电阻。
四、因冷却水绝缘电阻有限引起的附加损耗计算
为了说明冷却水引起的附加功率损耗，现分别针对图1与图2所示的两个电力电子变流设备的水路引起的附加损耗进行计算。
1．500kW感应加热用中频电力电子变流设备的附加损耗
为方便计算，考虑图1中所示的水路长度，根据柜内电力电子器件的安装位置减去晶闸管及电抗器的有效长度便可得到实际水路的长度及不同水质的绝缘电阻如表2所列，计算中考虑到一般总汇水管为钢质直接安装在柜壳上，而柜壳几乎都是接地的实情。
表2 500kW感应加热用中频电力电子变流设备的水路长度与绝缘电阻
|
水路位置
|
水管根数
|
水路长度（m）
|
水管管内
径（mm）
|
绝缘电阻Rsio (MΩ)
|
||||
|
工业循环水池水
|
城市自
来水
|
康师傅
矿泉水
|
水处理器
处理后纯水
|
电厂买
纯水
|
||||
|
三相整流桥进水
|
4
|
2
|
Φ13
|
2.2385
|
5.87607
|
6.15588
|
41.412239
|
88.70087
|
|
三相整流桥出水
|
4
|
1.8
|
Φ13
|
2.01465
|
5.28846
|
5.54029
|
37.27102
|
79.83078
|
|
平波电抗器进出水
|
2
|
1.0
|
Φ13
|
2.2385
|
5.87607
|
6.15588
|
41.412239
|
88.70087
|
|
逆变用晶闸管进水
|
4
|
1.1
|
Φ13
|
1.23118
|
3.23184
|
3.385734
|
22.77673
|
48.78548
|
|
逆变用晶闸管出水
|
4
|
0.8
|
Φ13
|
0.8954
|
2.35043
|
2.4624
|
16.56490
|
35.48035
|
现统一按直流500V考虑工作电压，则水路绝缘问题引起的附加功率损耗为：
P耗=U2/(ΣRi） (3)
P耗=5002/（ΣRi）按此计算结果得出不同冷却水时的附加功率如表3所列，从计算结果可以看出，应用电厂买纯水冷却附加功率损耗最小，而以工业水池循环水冷却附加功率损耗最大，每小时消耗的功率损失为0.8297kW，按年生产350天计算，年共造成附加损耗5436.2度,若按每度电0.78元计算,年共造成电费损失5436.2元。
2．500V/30kA电解用电力电子变流设备冷却水引起的附加损耗
从图3可以看出，500V/30kA电解用电力电子变流设备共有38个进水管和38个出水管，表4给出了其水路长度和不同冷却水质时的水绝缘电阻，而表5给出了不同冷却水质时的附加功耗，同样看出电厂购得的纯水冷却，其绝缘性能最好，附加损耗最低，而以工业水池中循环水的绝缘性能最差，用其冷却附加功率损耗最大,，每小时消耗的功率损失为4.72795kW，按年生产350天计算，年共造成附加损耗39714.76度,若按每度电0.78元计算,年共造成电费损失30977.51元。
表3 500kW感应加热用中频电力电子变流设备不同冷却水时的附加损耗及年电费成本
|
水质分类
|
每小时附加功耗（kW）
|
月电耗（kW·小时）
|
年电耗（kW·小时）
|
年电费（元）
|
|
工业水池循环水
|
0.8297
|
577.49
|
6969.5
|
5436.2
|
|
城市自来水
|
0.3161
|
220.01
|
2655.24
|
2071.09
|
|
康师傅矿泉水
|
0.30171
|
209.99
|
2534.36
|
1976.8
|
|
水处理器处理后纯水
|
0.04485
|
31.2156
|
376.74
|
293.86
|
|
电厂买纯水
|
0.02094
|
14.574
|
175.9
|
137.2
|
表4 30kA/500V电解用电力电子变流设备水路长度及不同水质时的绝缘电阻
|
水路位置
|
水管根数
|
水路长
度（m）
|
水管管内径（mm）
|
不同水质时的绝缘电阻 Rsio (MΩ)
|
||||
|
工业循
环水池水
|
城市自
来水
|
康师傅
矿泉水
|
水处理器
处理后水
|
电厂买
纯水
|
||||
|
直流汇流母线进出水
|
4
|
0.6
|
Φ13
|
0.67155
|
1.76282
|
1.84676
|
12.42367
|
26.61026
|
|
快熔母线进水
|
24
|
0.8
|
Φ13
|
0.14923
|
0.391738
|
0.41039
|
2.76082
|
5.91339
|
|
整流母线臂进出水
|
24
|
0.8
|
Φ13
|
0.14923
|
0.391738
|
0.41039
|
2.76082
|
5.91339
|
|
整流元件进水
|
12
|
2
|
Φ13
|
0.74617
|
1.95869
|
2.05195
|
13.80408
|
29.56696
|
|
整流元件出水
|
12
|
1.0
|
Φ13
|
0.37308
|
0.979345
|
1.02598
|
6.90204
|
14.7835
|
表5 30kA/500V电解用电力电子变流设备不同冷却水时的附加损耗及年电费成本
|
水质分类
|
每小时附加功耗（kW）
|
月电耗（kW·小时）
|
年电耗（kW·小时）
|
年电费（元）
|
|
工业水池循环水
|
4.72795
|
3290.652
|
39714.76
|
30977.51
|
|
城市自来水
|
1.8011
|
1253.5589
|
15129.16
|
11800.745
|
|
康师傅矿泉水
|
1.71923
|
1196.5843
|
14441.53
|
11264.397
|
|
水处理器处理后纯水
|
0.25556
|
177.869
|
2146.7
|
1674.43
|
|
电厂买纯水
|
0.1193
|
83.043
|
1002.245
|
781.75
|
五、结论
综上分析和计算结果，我们可得下述结论：
1.采用水冷却方案的电力电子变流设备中的冷却水其绝缘电阻是有限的，应用中会引起附加损耗;
2.在城市自来水、工业水池循环水、经水处理器处理后的纯水，康师傅矿泉水与从电厂购的纯水五种冷却水源中，以电厂购的纯水水质最好，附加损耗最小，而工业水池的循环水水质相对较差，引起的附加损耗较大，应尽可能使用电厂购的纯水作为冷却水源；
3.一台500V/30kA的水冷却电力电子变流设备,在上述冷却水路长度时，其每年年共造成附加损耗39714.76度,另人震惊；
4.为减小损耗应加大水路长度，将总进出水管改为PVC管，尽可能的使用纯水是个很好的解决方案之一。
参考文献
1. 邱关源 电 路，北京，高等教育出版社,1990。
2. 李 宏. 电力电子变流设备常用器件及集成电路应用指南. 北京：机械工业出版社，2001.
3. 李 宏著. 电力电子变流设备的调试与维修基础. 北京：科学出版社，2011.
4. 李 宏著. 电力电子变流设备的调试与维修实例. 北京：科学出版社，2011.
5. 陕西高科电力电子有限责任公司 KHS-30kA/500V电力电子变流设备使用说明书 西安，2007
6. 陕西高科电力电子有限责任公司 KGPS-500kW晶闸管中频电力电子变流设备使用说明书 西安，2006
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