0引言
直流融冰裝置能夠有效消除附著在電網輸變電設備上的冰雪,因而能夠較大程度地避免冰雪災害對電網帶來的重大損失?
直流融冰的基本原理是將系統的交流電轉化為直流電,然后利用直流電對輸電線路進行加熱來融化冰雪?
晶閘管是直流融冰裝置的關鍵部件之一,晶閘管作為一種大功率的半導體元器件,在工作時會因電流通過而發熱,若溫度過高,超過一定閾值,會導致晶閘管的性能下降,甚至燒毀?為了保證融冰裝置的穩定運行,晶閘管的溫度不能超過閾值,因此設計有效的散熱器是保證直流融冰裝置穩定運行的關鍵?
晶閘管主要的冷卻方式有水冷和風冷,水冷散熱效果好,但需購置水冷設備,占地面積大,并且水冷直流融冰裝置內部水管與線路交錯復雜,不便于維護與檢修?本文優化設計的對象是某工程融冰裝置晶閘管風冷散熱器,與水冷相比,風冷裝置更節省占地,維護更加簡便,并且沒有漏水的風險?
1晶閘管傳熱原理
晶閘管在運行時,通態時的功率損耗導致晶閘管內部P-N結處產生大量的熱量,為了使晶閘管迅速降溫,通常在晶閘管兩側壓裝風冷散熱器,如圖1所示?
熱量首先由晶閘管內部的P-N結(j)傳導至管殼(c),其熱阻表示為Rjc,然后熱量從管殼(c)傳導至風冷散熱器(h),其熱阻表示為Rch,最后熱量從風冷散熱器(h)傳導至周圍的空氣(a),其熱阻表示為Rha?由于晶閘管管殼傳導給周圍空氣的熱量相對較少,因此不考慮它們之間的熱阻,所以,整個熱傳導過程中的總熱阻R為:
其中,熱阻的單位為攝氏度每瓦(℃/W)?
本文通過優化風冷散熱器的結構來降低熱阻Rha,從而提高晶閘管的散熱性能?
2有限元仿真分析
2.1風冷散熱器結構
晶閘管和風冷散熱器是通過工裝壓裝在一起的,由于工裝的限制,長度方向有250mm的距離,但還需要預留檢修空間,因此確定風冷散熱器的長度為200mm?本工程是移動融冰裝置,融冰裝置是放置在集裝箱內,因此高度方向有限制,風冷散熱的高度為105mm,而寬度方向由于風道結構的約束,風冷散熱器的寬度確定為180mm?散熱器在裝置中不僅需要為晶閘管散熱,還需要為結構提供強度,承受裝置的較高壓力,散熱器整體材質為兼顧散熱效率和結構強度的工業鋁材6063?風冷散熱器的結構如圖2所示?
散熱器中間風道間隔布置翅片,可以增大散熱面積,提高風冷的散熱效果?
2.2邊界條件與網格劃分
本文利用有限元軟件ANSYS的Icepak模塊來對風冷散熱器進行仿真計算?首先將風冷散熱器三維模型導入到ANSYS中,建立合適的流體域,如圖3所示?為使有限元模型與實際情況盡可能相同,設計的流體計算域為最外側實線所包裹的長方體區域,計算域X軸方向的長度為200mm,Y軸方向的長度為105mm,Z軸方向的長度為380mm?
根據本工程參數設置邊界條件,單個晶閘管的發熱功率為2200W,由于是雙側散熱,因此單側發熱功率為1100W?進風溫度按照環境溫度設定為20℃,風速為6.5m/s?
在圖3中,1代表進風口,并設置Z軸方向的風速為6.5m/s,溫度為20℃;2代表出風口,參數默認;3和4是模擬晶閘管發熱盤面設定的直徑為110mm的面熱源,它們的發熱功率各為1100W?
邊界條件創建好之后進行網格劃分?本文采用的網格類型是六面體占優網格,模型的網格劃分結果如圖4所示?
劃分后,獲得了532072個網格單元和557172個網格節點,圖中所示網格質量的面對齊率為0.95,遠大于通常面對齊率一般要求的0.15,網格質量較好,可以進行下一步計算?
2.3散熱器溫升仿真計算
邊界條件和網格劃分完成后,進入計算步驟,通過迭代計算,當計算結果收斂時,獲得風冷散熱器的溫度場,如圖5所示?
通過溫度云圖可以看出,晶閘管與風冷散熱器接觸面處的溫度最高達到90.3℃,超出晶閘管的結溫閾值85℃較多,在此條件下長期運行,裝置會有風險,故需要對風冷散熱器的設計進行優化?
3改進方案
3.1風冷散熱器結構優化
風冷散熱器的整體尺寸不能變化太大,因此在不改變風冷散熱器整體尺寸的條件下,在蓋板內設置了熱管來提高風冷散熱器的散熱性能?優化后的風冷散熱器如圖6所示?
3.2優化后散熱器溫升仿真
根據上文所述的散熱器仿真邊界條件,對優化后的風冷散熱器進行仿真計算,得到散熱器溫度云圖,如圖7所示?
從圖7可以看出,進風溫度按照環境溫度設定為20℃,風速為6.5m/s,風冷散熱器工作時的表面最高溫度為80.9℃,未超過晶閘管結溫閾值?
3.3溫升試驗
對優化后的風冷散熱器進行了樣品試制,并開展了溫升試驗,試驗平臺如圖8所示?
測試時在距離散熱器出風口30mm處設置了風速儀,采用加熱管來模擬晶閘管發熱,為了更好地達到均溫的目的,使用5根加熱管,發熱面積與晶閘管相同,單面發熱功率1100W?散熱器底板開槽,將感溫線埋于底板內,并確認探點與鋁板接觸良好?
測試環境溫度為32℃,試驗數據如圖9所示,風速為6.5m/s的時候散熱器表面的最高溫度為89.7℃,此時散熱器表面最高溫度與環境溫度的溫差為57.7℃,第3.2節仿真結果與環境溫度的溫差約60.9℃,誤差為5.3%,考慮到仿真與試驗的條件存在偏差,本文認為誤差在可接受的范圍內,因此優化后的風冷散熱器在散熱性能方面滿足設計要求?
4結語
本文根據某工程直流融冰裝置晶閘管的散熱需求,對風冷散熱器進行了初步設計和溫升仿真計算,針對仿真結果不滿足設計要求的情況,對散熱器進行了結構性能上的優化,并通過樣品試制驗證了優化后風冷散熱器的散熱性能,最終設計出滿足該融冰裝置的散熱器?
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