CN201717262U - 一种大容量晶闸管功率单元 - Google Patents

Abstract

一种大容量晶闸管功率单元，属于电气设备技术领域。包括支撑钢板、4只碟型弹簧、3个热管散热器、2只晶闸管、4根长绝缘套管、承压板、1个压紧螺栓和4根长高强度螺栓、2块绝缘酚醛板和1个绝缘橡胶板；支撑钢板分为2块，分别为左侧支撑钢板和右侧支撑钢板，左侧支撑钢板的四角有带螺纹的通孔与四条高强度螺栓连接；右侧支撑钢板的四角留有不带螺纹的通孔，中心位置留有带螺纹的通孔连接压紧螺栓。优点在于，与现有普通功率单元相比此功率单元散热效率高、超大容量、适用范围广。

Description

一种大容量晶闸管功率单元

技术领域

本实用新型属于电气设备技术领域，特别是涉及一种大容量(2500V/3960A)晶闸管功率单元，基于热管散热技术的功率单元。

背景技术

我们此新型功率单元是以晶闸管为功率器件的，一般情况下晶闸管由于其自身的特点都是工作于大电流、高电压的工作环境中。特别是大电流的工况会使晶闸管自身严重发热，而制造晶闸管的材料需要保证在一定的温度范围之内。如果温度太高晶闸管内的PN结就会烧毁，晶闸管也就因此损坏。为确保功率器件的安全、可靠运行，必须对晶闸管散热冷却以保证其工作温度不超过允许范围。目前大量的功率单元都采用实心铸铝(或铜)材散热器加强迫风冷的解决方案。也就是将功率器件和较大体积的散热器紧密封装，这样功率器件工作时产生的大量热量就可以传导到散热器上。再通过冷却风机的高速旋转促使大量的冷空气对流将散热器上的热量带走，从而达到热平衡保证晶闸管的工作温度。这种方法的缺点是：热量在散热器上的传导不够快，进而导致散热器与功率器件接触侧和非接触侧的温度差最大时达到了35℃。这就要求必须有大量的冷却风及时将和功率器件接触侧的热量带走，即便如此在接触侧也存在着超温的危险。热管散热器的高效对流散热成功解决了导热慢的问题。热管散热器如图1示；由铝质散热器片通过压装方法与热管结合成一体，插入铝质散热器基板组装成热管散热器。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种大容量晶闸管功率单元，以热管散热器快速导热的大容量功率单元，解决了普通功率单元的的电压等级一般在1000V以内，额定电流一般不超过3000A的问题

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：功率单元的组装设计，及散热器的设计选型，热管位置的科学合理放置。

本实用新型包括支撑钢板、4只碟型弹簧、3个热管散热器、2只晶闸管、4根长绝缘套管、承压板、1个压紧螺栓和4根长高强度螺栓、2块绝缘酚醛板和1个绝缘橡胶板；支撑钢板分为2块，分别为左侧支撑钢板和右侧支撑钢板，左侧支撑钢板的四角有带螺纹的通孔与四条高强度螺栓连接；右侧支撑钢板的四角留有不带螺纹的通孔，中心位置留有带螺纹的通孔连接压紧螺栓。

各部件的组装关系如下：左侧支撑钢板和四条高强度螺栓通过四角的带螺纹通孔和高强度螺栓一端的螺纹连接，四根绝缘套管套在四根高强螺栓的螺柱外面；四只碟簧两两叠放，任意叠放好的两只紧靠左侧支撑钢板的右侧面放置，另外两只叠放好的碟簧反方向紧贴放置在右侧，紧贴碟簧的右侧布置第一个组装好的热管散热器，挨第一个热管散热器的右侧布置第一个晶闸管，在第一个晶闸管的右侧布置第二个热管散热器，在第二个热管散热器的右侧布置第二个晶闸管，在第二个晶闸管的右侧布置第三个热管散热器(因为此功率单元可双向整流，所以在一个单元中有三块独立的热管散热器和两个晶闸管，彼此间隔、串联两只晶闸管位于三块散热器之间)。在第三个热管散热器的右侧布置承压板，将右侧支撑钢板四角的不带螺纹通孔穿入对应四根高强度螺栓。给伸出右侧支撑钢板的高强度螺栓套上螺母，调节螺母长度使两个支撑钢板之间的距离为273.4mm如图1。从右侧支撑钢板的中心孔处向左拧入压紧螺栓，调节压紧螺栓至压力达到5吨。在5吨压力作用下，左侧支撑钢板、碟簧、散热器、晶闸管、承压板、压紧螺栓和右侧支撑钢板就会紧紧挤压在一起，使整个功率单元形成一个整体。两块绝缘酚醛板分别插入相邻散热器的缝隙中，一块绝缘橡胶板覆盖在三个散热器的顶端。

本实用新型所述的热管散热器由热管、铝质基板和散热片组成，三者套连且焊接固定，热管垂直安装。平行设置的铝质散热片和热管焊接在一起，用于将热管上的热量通过此散热片快速扩散到周围空气中。

实用新型所述的四条高强度螺栓两端各有5厘米长的螺纹。

本实用新型由于热管的应用，与现有技术相比具有以下主要优点：

第一、可提高功率单元的散热效率

热管作为传热元件的热管散热器与常规的散热器相比有许多的优良性能，将其与相同外形尺寸的实心良导体相比较，热管散热器的导热系数要比实心良导体的导热系数大成百上千倍。

(1)热管换热器原理(见图3)

热管是一种密闭容器，其组成部件为壳体和工作液，将壳体抽真空后充入适当的工作液，密闭的壳体便成为一支热管，图3为热管工作原理图，与热源对其一端供热时，工作液自热源吸收热量而蒸发汽化，携带潜能的蒸汽在压差的作用下高速传至壳体的另一端，向冷源放出潜能而凝结，凝结后的液体在重力作用下回流热源从此往复不断循环。

热管正常工作时，其内部进行着液体蒸发、蒸汽流动、蒸汽凝结、凝结液回流等四个工作过程，这四个工作过程构成了热管闭合工作的循环，只要循环不被破坏，热管就能热量不断从热源传到冷源。在热管循环中两个相变过程被工作液蒸汽和凝结液的流动过程联系起来，蒸汽流动的动力是气相压差，而冷凝液的回流是靠重力。按热管内工质凝结液回流的物理量可把热管分为吸液芯热管、旋转热管、两相闭式虹吸管或重力热管，我们采用的就是这种重力热管。

(2)热管的性能

(i)输热能力极强。热管工作循环巧妙地利用了两种最强的换热方式——蒸发及凝结相变换，以潜能的形式输出热量，一般比显热的形式所传的热量大得多，因此它能在小温差下传输大热流量。

(ii)热密度可变。热管工作时加热段、冷却段内外换热面积均不相连，因此可以通过改变其内外换热面积的大小，改变两工作段的热流密度，改变两工作段壳体外表面积Fteo、Ftco的措施有a、改变长度、形状或直径b、扩展壳体表面积，通过加装翅片(散热片)，改变其翅片长度比，可以在相当大的范围内变化两个工作段的热流密度。

(iii)均温性能优良。在热管正常工作时其内部的蒸发段，产生的饱和蒸汽高速流向凝结段而压降甚微，实测其蒸发凝结两段蒸汽向温度差1℃左右。

(iv)无外加辅助动力设备。结构简单，重量轻、工作可靠、维修简单。

第二、容量大

由于具有高效的散热系统，所以可以放心选择超大容量的功率器件，进而使新型功率单元的容量远超出普通功率单元。功率单元的容量数据如下：

额定电压：2500V，额定电流：3960A。

附图说明

图1为本实用新型功率单元的主视图。其中，绝缘橡胶板1，酚醛绝缘板3，热管4，支撑钢板5，碟型弹簧6，晶闸管7，压紧螺栓8，高强度螺栓11、绝缘套管9，绝缘垫块12，承压板13。

图2为图1的左视图。

图3为热管工作原理图。

图4为热管散热器组装后的示意图。

图5为热管散热器组装后示意图的左视图。

具体实施方式

本实用新型包括2块支撑钢板、4只碟型弹簧、3个组装好的热管散热器、2只晶闸管、4根长220mm的绝缘套管、承压板、1个压紧螺栓和4根长290mm高强度螺栓、2块绝缘酚醛板和1个绝缘橡胶板；支撑钢板分为2块，分别为左侧支撑钢板和右侧支撑钢板，左侧支撑钢板的四角有φ12带螺纹的通孔用于与四条高强度螺栓连接；右侧支撑钢板的四角(和左支撑钢板相同位置)留有φ13不带螺纹的通孔，中心位置留有φ30带螺纹的通孔用于连接压紧螺栓。四条高强度螺栓两端各有5厘米长的螺纹。

功率单元中热管散热器的结构如图4示：由热管、铝质基板和散热片组成，三者套连且焊接固定。热管垂直安装，这样便于工作物质受热后密度减小在热管中向上运动，冷的密度大冷却介质向下运动形成对流，加快热管中热量的交换。使固定在散热器下端的功率器件及时且有效降温，保证功率器件工作于合适的温度范围之内。在散热片的设计中，我们充分考虑了功率器件要求快速散热的要求。我们选择了价格适中的铝质散热器，并且进行了多层铝片平行布置，每层之间留有通风间隙的快速散热设计。

整个功率单元的组装工艺为：首先，将左侧支撑钢板水平放置，把四根高强度螺栓的一端拧入左侧支撑钢板5四角带螺纹的通孔中，从高强度螺栓的另一端将高强度螺栓穿入绝缘套管9中。在左侧支撑钢板的上表面依次放入碟型弹簧6)已组装好的热管散热器(由热管、铝质基板和铝质散热片组装成)、晶闸管7、已组装好的热管散热器、晶闸管、已组装好的热管散热器再装入绝缘垫块12、承压板13用螺母固定，按标定压力拧紧压紧螺栓11，最后装入酚醛绝缘板3和绝缘橡胶板1。

在本实用新型的功率单元中功率器件(晶闸管)是主要的发热源，根据晶闸管的外形特点我们设计了紧贴晶闸管两极的散热器。晶闸管和散热器通过金属夹具固定，金属夹具的主体由两块厚25mm45#钢支撑钢板和四条高强度螺栓构成，采用45#钢支撑钢板主要是为了防止在夹紧过程中出现夹具变形的情况。支撑钢板的四个角留有开孔，通过四条高强度螺栓将晶闸管、散热器、绝缘套管、承压板和支撑钢板紧固在一起，通过调节压紧螺栓对承压板的压力来调节装置的所须压力。在左端的支撑钢板和散热器之间使用可以承压10.6吨的碟型弹簧，通过碟型弹簧作用以保证功率器件获得稳定压力以保障功率器件在过压、过载、过热情况下正常工作。为了保证晶闸管与散热器铝基板之间获得可靠接触面，避免在压紧后出现局部受力不均的现象。在压板和散热器的右端，对应中心位置用压紧螺栓对散热器实施顶压保证晶闸管大面积接触。

本实用新型功率单元可广泛应用于冶金、矿山等交直流变换场合。

本实用新型的工作原理是：当热管的吸热段受热后里面的工作流体就会快速蒸发，并沿管体流动至散热段，通过和散热段固定的大量散热片向周围空气介质释放热量。由于热管垂直安装，蒸汽放热后冷凝成液体，依靠自身重力回流到吸热段。如此的反复循环，迅速将热量从热管吸热段传至散热段，在大功率离心式轴流风机作用下最终将热量耗散在周围空气介质中。

Claims (3)

1.一种大容量晶闸管功率单元，其特征在于，包括支撑钢板、4只碟型弹簧、3个热管散热器、2只晶闸管、4根长绝缘套管、承压板、1个压紧螺栓和4根长高强度螺栓、2块绝缘酚醛板和1个绝缘橡胶板；支撑钢板分为2块，分别为左侧支撑钢板和右侧支撑钢板，左侧支撑钢板的四角有带螺纹的通孔与四条高强度螺栓连接；右侧支撑钢板的四角留有不带螺纹的通孔，中心位置留有带螺纹的通孔连接压紧螺栓；

左侧支撑钢板和四条高强度螺栓通过四角的带螺纹通孔和高强度螺栓一端的螺纹连接，四根绝缘套管套在四根高强螺栓的螺柱外面；四只碟簧两两叠放，任意叠放好的两只紧靠左侧支撑钢板的右侧面放置，另外两只叠放好的碟簧反方向紧贴放置在右侧，紧贴碟簧的右侧布置第一个组装好的热管散热器，挨第一个热管散热器的右侧布置第一个晶闸管，在第一个晶闸管的右侧布置第二个热管散热器，在第二个热管散热器的右侧布置第二个晶闸管，在第二个晶闸管的右侧布置第三个热管散热器，在第三个热管散热器的右侧布置承压板，将右侧支撑钢板四角的不带螺纹通孔穿入对应四根高强度螺栓。

2.根据权利要求1所述的晶闸管功率单元，其特征在于，所述的热管散热器由热管、铝质基板和散热片组成，三者套连且焊接固定，热管垂直安装。

3.根据权利要求1所述的晶闸管功率单元，其特征在于，四条高强度螺栓两端各有5厘米长的螺纹。 

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