一、引言
眾所周知，由于各種電力電子器件導(dǎo)通工作時(shí)總有壓降、阻斷或截止工作時(shí)定有漏電流流過(guò)，所以，電力電子器件在工作時(shí)都要發(fā)熱，一個(gè)設(shè)計(jì)可靠的電力電子變流設(shè)備應(yīng)能對(duì)這些熱量具有及時(shí)散熱措施，避免熱積累，保證長(zhǎng)期工作時(shí)電力電子器件的殼溫及結(jié)溫在安全工作值之下，如今隨著工業(yè)中對(duì)電力電子變流設(shè)備輸出電流需求的日益增大，至今用于電力電子變流設(shè)備中保障其散熱，而使其長(zhǎng)期可靠工作的冷卻介質(zhì)和方法有：采用自然冷卻的金屬散熱器，采用油浸冷卻的管式及板式散熱器，強(qiáng)迫風(fēng)冷卻的散熱器風(fēng)道，強(qiáng)迫水冷卻的水包，熱管散熱器等等，一般對(duì)工作時(shí)輸出電流在3kA以上的電力電子變流設(shè)備，電力電子行業(yè)的工程師們更喜歡采用水冷卻方式，其原因是水冷卻方式冷卻功率大，冷卻效果好，本文不想對(duì)其他冷卻方式進(jìn)行分析，而僅對(duì)水冷卻方式的存在問(wèn)題，冷卻時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)和水冷卻方式造成的附加功率損耗，以及各種冷卻水的附加損耗大小進(jìn)行分析和比較，以期拋磚引玉，引起同行們的重視。
二、水冷卻方案中的冷卻水質(zhì)及水路分析
2.1 常見(jiàn)冷卻水源
在國(guó)內(nèi)電力電子變流設(shè)備行業(yè)，因電化學(xué)、電解、有色金屬加工及冶煉使用的需要，決定了在這些場(chǎng)合電力電子變流設(shè)備的輸出電流多在3kA以上，所以往往采用水冷卻方案，常見(jiàn)的有電解、電鍍、電弧爐、碳化硅、中頻感應(yīng)加熱用電力電子變流設(shè)備，且隨輸出電壓等級(jí)及用戶是否愿投資等等的不同，多采用城市自來(lái)水、外購(gòu)純凈水、自備工業(yè)水池中的循環(huán)水或安裝水處理器處理后的水質(zhì)作為冷卻水源，由于這些水質(zhì)的純凈度，含雜質(zhì)情況的不同，會(huì)對(duì)被冷卻電力電子變流設(shè)備的使用壽命造成很大影響，同時(shí)冷卻時(shí)造成的附加功率損耗也會(huì)有很大的不同。
2.2 主電路結(jié)構(gòu)與水路連接
無(wú)論采用何種冷卻水源，電力電子變流設(shè)備的常見(jiàn)主電路結(jié)構(gòu)和水回路連接都是采用一個(gè)總進(jìn)水管和一個(gè)總出水管，然后在電力電子變流設(shè)備內(nèi)部按進(jìn)行電力電子變流的器件臂的個(gè)數(shù)和不同相數(shù)或是否有保護(hù)用熔斷器臂而分為多個(gè)分進(jìn)水管和分出水管，通常總進(jìn)水管與總出水管采用不銹鋼管或鋼管或PVC管，而分水管使用可承受3～5kg壓力的塑料水管。圖1給出了陜西高科電力電子有限責(zé)任公司生產(chǎn)的50kW中頻電力電子變流設(shè)備的水路結(jié)構(gòu)圖和主電路原理簡(jiǎn)圖。從該圖可以明顯看出，主電路中不同相及不同母線間的電壓是不同的，冷卻過(guò)程中通過(guò)冷卻水路將這些不同電壓相位或不同電壓的母線連接在一起，所有晶閘管是采用雙面水冷卻的，為提高絕緣強(qiáng)度使用中把三相橋式全控整流
圖1 500kW感應(yīng)加熱用晶閘管中頻電力電子變流設(shè)備的主電路原理及水路連接圖
a) 主電路原理簡(jiǎn)圖 b) 水路結(jié)構(gòu)圖
圖2給出了陜西高科電力電子有限責(zé)任公司生產(chǎn)的采用三相橋式同相逆并聯(lián)可控整流的6脈波，直流輸出30kA/500V的電解用電力電子變流設(shè)備的主電路原理圖及冷卻水路連接圖，應(yīng)注意的是，主電路圖中每個(gè)晶閘管代表了圖2b所示的5個(gè)晶閘管元件的并聯(lián)組，而圖2b僅畫(huà)出了一組整流臂的快速熔斷器臂和晶閘管器件臂的水路連接圖，顯見(jiàn)快速熔斷器臂與晶閘管元件使用雙面冷卻，而快速熔斷器為單面冷卻，每組整流臂共有3個(gè)分進(jìn)水管和3個(gè)分出水管，因該電力電子變流設(shè)備共有12個(gè)整流臂，故總共有38個(gè)分進(jìn)水管和38個(gè)分出水管，其中已考慮了正負(fù)匯流母線的進(jìn)出水管，從圖2可見(jiàn)，不同電位的交流及直流母線之間是通過(guò)冷卻水管連接在一起的，同樣存在運(yùn)行中各分水管通水后通過(guò)總進(jìn)出水管將不同電壓的器件連接在一起，因而水質(zhì)及水的絕緣性能對(duì)該電力電子變流設(shè)備的安全可靠運(yùn)行及附加功率損耗的大小有著決定性的作用。
圖2 采用三相橋式同相逆并聯(lián)可控整流的主電路結(jié)構(gòu)和一個(gè)整流臂的水路連接圖
a) 主電路原理圖 b) 水路連接圖
三、冷卻水質(zhì)及附加功率損耗的分析與計(jì)算
隨著電力電子變流設(shè)備主電路工作電壓高低及輸出電流大小和應(yīng)用場(chǎng)合以及所使用該變流設(shè)備用途的不同，冷卻水的水源有城市自來(lái)水、飲用純凈水、電廠購(gòu)純水、循環(huán)水池工業(yè)用水以及專用水處理器處理后的水五種，為了分析不同水源水質(zhì)絕緣性能和水的電阻率，我們?cè)鴮ｉT進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試電路如圖3所示，其中PVC管內(nèi)徑為Ф14.3mm,測(cè)試結(jié)果如表1所列。
從該表顯見(jiàn)，在同樣的水截面S與水路長(zhǎng)度之條件下 ，電廠購(gòu)得的純水其絕緣電阻最大，絕緣性能也最好，另一方面，我們可以明顯看到無(wú)論采用什么樣的冷卻水，其絕緣電阻都不是無(wú)窮大，所以總要有漏電流，總要消耗費(fèi)電功率，總會(huì)給使用者造成附加功率損耗，因而對(duì)額定運(yùn)行電壓較高的電力電子變流設(shè)備，其水路應(yīng)人為加長(zhǎng)，以減小附加功率和提高絕緣電阻。
四、因冷卻水絕緣電阻有限引起的附加損耗計(jì)算
為了說(shuō)明冷卻水引起的附加功率損耗，現(xiàn)分別針對(duì)圖1與圖2所示的兩個(gè)電力電子變流設(shè)備的水路引起的附加損耗進(jìn)行計(jì)算。
1.500kW感應(yīng)加熱用中頻電力電子變流設(shè)備的附加損耗
為方便計(jì)算，考慮圖1中所示的水路長(zhǎng)度，根據(jù)柜內(nèi)電力電子器件的安裝位置減去晶閘管及電抗器的有效長(zhǎng)度便可得到實(shí)際水路的長(zhǎng)度及不同水質(zhì)的絕緣電阻如表2所列，計(jì)算中考慮到一般總匯水管為鋼質(zhì)直接安裝在柜殼上，而柜殼幾乎都是接地的實(shí)情。
2.500V/30kA電解用電力電子變流設(shè)備冷卻水引起的附加損耗
從圖3可以看出，500V/30kA電解用電力電子變流設(shè)備共有38個(gè)進(jìn)水管和38個(gè)出水管，表4給出了其水路長(zhǎng)度和不同冷卻水質(zhì)時(shí)的水絕緣電阻，而表5給出了不同冷卻水質(zhì)時(shí)的附加功耗，同樣看出電廠購(gòu)得的純水冷卻，其絕緣性能最好，附加損耗最低，而以工業(yè)水池中循環(huán)水的絕緣性能最差，用其冷卻附加功率損耗最大,，每小時(shí)消耗的功率損失為4.72795kW，按年生產(chǎn)350天計(jì)算，年共造成附加損耗39714.76度, 若按每度電0.78元計(jì)算,年共造成電費(fèi)損失30977.51元。
五、結(jié)論
綜上分析和計(jì)算結(jié)果，我們可得下述結(jié)論：
1.采用水冷卻方案的電力電子變流設(shè)備中的冷卻水其絕緣電阻是有限的，應(yīng)用中會(huì)引起附加損耗;
2.在城市自來(lái)水、工業(yè)水池循環(huán)水、經(jīng)水處理器處理后的純水，康師傅礦泉水與從電廠購(gòu)的純水五種冷卻水源中，以電廠購(gòu)的純水水質(zhì)最好，附加損耗最小，而工業(yè)水池的循環(huán)水水質(zhì)相對(duì)較差，引起的附加損耗較大，應(yīng)盡可能使用電廠購(gòu)的純水作為冷卻水源;
3.一臺(tái)500V/30kA的水冷卻電力電子變流設(shè)備,在上述冷卻水路長(zhǎng)度時(shí)，其每年年共造成附加損耗39714.76度, 另人震驚;
4.為減小損耗應(yīng)加大水路長(zhǎng)度，將總進(jìn)出水管改為PVC管，盡可能的使用純水是個(gè)很好的解決方案之一。