基于高壓變頻器單元的熱仿真計(jì)算

1 引言

大型電力電子設(shè)備，如大功率高壓變頻器往往要求有極高的可靠性，影響電力電子設(shè)備失效的主要形式是熱失效，據(jù)統(tǒng)計(jì)，50%以上的電子熱失效主要是由于溫度超過額定值引起的。隨著溫度的增加，失效率也增加，因此大功率高壓變頻器功率器件的熱設(shè)計(jì)直接關(guān)系到設(shè)備的可靠性與穩(wěn)定性。

從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上來說散熱技術(shù)是保證設(shè)備正常運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于三環(huán)公司高壓變頻器設(shè)備功率大，一般為MW級(jí)，在正常工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。為保證設(shè)備的正常工作，把大量的熱量散發(fā)出去，優(yōu)化散熱與通風(fēng)方案，進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)與計(jì)算，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的高效散熱，對(duì)于提高設(shè)備的可靠性是十分必要的。

2 散熱計(jì)算

高壓變頻器在正常工作時(shí)，熱量來源主要是隔離變壓器、電抗器、功率單元、控制系統(tǒng)等，其中作為主電路電子開關(guān)的功率器件的散熱、功率單元的散熱設(shè)計(jì)及功率柜的散熱與通風(fēng)設(shè)計(jì)最為重要。對(duì)igbt或igct功率器件來說，其pn結(jié)不得超過125℃，封裝外殼為85℃。有研究表明，元器件溫度波動(dòng)超過±20℃，其失效率會(huì)增大8倍。

2.1 散熱設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

(1) 選用耐熱性和熱穩(wěn)定性好的元器件和材料，以提高其允許的工作溫度;

(2) 減小設(shè)備(器件)內(nèi)部的發(fā)熱量。為此，應(yīng)多選用微功耗器件，如低耗損型igbt，并在電路設(shè)計(jì)中盡量減少發(fā)熱元器件的數(shù)量，同時(shí)要優(yōu)化器件的開關(guān)頻率以減少發(fā)熱量;

(3) 采用適當(dāng)?shù)纳岱绞脚c用適當(dāng)?shù)睦鋮s方法，降低環(huán)境溫度，加快散熱速度。

2.2 排風(fēng)量計(jì)算

在最惡劣環(huán)境溫度情況下，計(jì)算散熱器最高溫度達(dá)到需求時(shí)候的最小風(fēng)速。根據(jù)風(fēng)速按照冗余放大率來確定排風(fēng)量。排風(fēng)量的計(jì)算公式為：Qf=Q/(Cp?ρ?△T)

式中：

Qf：強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)所須提供的風(fēng)量。

Q：被冷卻設(shè)備的總熱功耗,W。

Cp=1005J/(kg?℃)：空氣比熱，J/(kg?℃)。

ρ=1.11(m3/kg)：空氣密度，m2/kg。

△T=10℃：進(jìn)、出口處空氣的溫差，℃。

根據(jù)風(fēng)量和風(fēng)壓確定風(fēng)機(jī)型號(hào)，使得風(fēng)機(jī)工作在效率最高點(diǎn)處，即增加了風(fēng)機(jī)壽命又提高了設(shè)備的通風(fēng)效率。

2.3 風(fēng)道設(shè)計(jì)

串聯(lián)風(fēng)道是由每個(gè)功率模塊的散熱器上下相對(duì)，形成上下對(duì)應(yīng)的風(fēng)道，其特點(diǎn)由上下多個(gè)功率單元形成串聯(lián)的通路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，風(fēng)道垂直使得風(fēng)阻小;但由于空氣從下到上存在依次加熱的問題，造成上面的功率單元環(huán)境溫差小，散熱效果差。

并聯(lián)風(fēng)道中從每個(gè)功率單元的前面進(jìn)風(fēng)，對(duì)應(yīng)的進(jìn)風(fēng)口并聯(lián)排列，在后面的風(fēng)倉(cāng)中匯總后由風(fēng)機(jī)抽出，同時(shí)整個(gè)功率柜一般采用冗余的方法，有多個(gè)風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，整體散熱效果好，并提高了設(shè)備的可靠性。但柜體后面要形成風(fēng)倉(cāng)，增大了設(shè)備的體積，同時(shí)由于各個(gè)功率單元后端到風(fēng)機(jī)的距離不同，使得每個(gè)功率單元的風(fēng)流量不一致，是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

根據(jù)串聯(lián)風(fēng)道和并聯(lián)風(fēng)道的特點(diǎn)，三環(huán)公司高壓變頻器選擇并聯(lián)風(fēng)道設(shè)計(jì)，并形成了獨(dú)有的結(jié)構(gòu)專利技術(shù)。

3 仿真分析

利用仿真軟件可以在以上各種不同結(jié)構(gòu)及層次上對(duì)系統(tǒng)散熱、溫度場(chǎng)及內(nèi)部流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行高效、準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便的定量分析。

根據(jù)仿真結(jié)果，對(duì)散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估、修改，然后再次仿真，直到得到滿足要求的結(jié)果。通過這種方式，我們對(duì)熱失效進(jìn)行了很好控制，從而大大提高了設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。