0引言
直流融冰裝置能夠有效消除附著在電網(wǎng)輸變電設(shè)備上的冰雪,因而能夠較大程度地避免冰雪災(zāi)害對電網(wǎng)帶來的重大損失?
直流融冰的基本原理是將系統(tǒng)的交流電轉(zhuǎn)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(guān)鍵部件之一,晶閘管作為一種大功率的半導(dǎo)體元器件,在工作時會因電流通過而發(fā)熱,若溫度過高,超過一定閾值,會導(dǎo)致晶閘管的性能下降,甚至燒毀?為了保證融冰裝置的穩(wěn)定運行,晶閘管的溫度不能超過閾值,因此設(shè)計有效的散熱器是保證直流融冰裝置穩(wěn)定運行的關(guān)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(shè)備,占地面積大,并且水冷直流融冰裝置內(nèi)部水管與線路交錯復(fù)雜,不便于維護與檢修?本文優(yōu)化設(shè)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(jié)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(tài)時的功率損耗導(dǎo)致晶閘管內(nèi)部P-N結(jié)處產(chǎn)生大量的熱量,為了使晶閘管迅速降溫,通常在晶閘管兩側(cè)壓裝風冷散熱器,如圖1所示?
熱量首先由晶閘管內(nèi)部的P-N結(jié)(j)傳導(dǎo)至管殼(c),其熱阻表示為Rjc,然后熱量從管殼(c)傳導(dǎo)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(dǎo)至周圍的空氣(a),其熱阻表示為Rha?由于晶閘管管殼傳導(dǎo)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(dǎo)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(yōu)化風冷散熱器的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)
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(yù)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(nèi),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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)提供強度,承受裝置的較高壓力,散熱器整體材質(zhì)為兼顧散熱效率和結(jié)構(gòu)強度的工業(yè)鋁材6063?風冷散熱器的結(jié)構(gòu)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(wǎng)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(dǎo)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(shè)計的流體計算域為最外側(cè)實線所包裹的長方體區(qū)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(jù)本工程參數(shù)設(shè)置邊界條件,單個晶閘管的發(fā)熱功率為2200W,由于是雙側(cè)散熱,因此單側(cè)發(fā)熱功率為1100W?進風溫度按照環(huán)境溫度設(shè)定為20℃,風速為6.5m/s?
在圖3中,1代表進風口,并設(shè)置Z軸方向的風速為6.5m/s,溫度為20℃;2代表出風口,參數(shù)默認;3和4是模擬晶閘管發(fā)熱盤面設(shè)定的直徑為110mm的面熱源,它們的發(fā)熱功率各為1100W?
邊界條件創(chuàng)建好之后進行網(wǎng)格劃分?本文采用的網(wǎng)格類型是六面體占優(yōu)網(wǎng)格,模型的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示?
劃分后,獲得了532072個網(wǎng)格單元和557172個網(wǎng)格節(jié)點,圖中所示網(wǎng)格質(zhì)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(wǎng)格質(zhì)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(wǎng)格劃分完成后,進入計算步驟,通過迭代計算,當計算結(jié)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(jié)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(shè)計進行優(yōu)化?
3改進方案
3.1風冷散熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)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(nèi)設(shè)置了熱管來提高風冷散熱器的散熱性能?優(yōu)化后的風冷散熱器如圖6所示?
3.2優(yōu)化后散熱器溫升仿真
根據(jù)上文所述的散熱器仿真邊界條件,對優(yōu)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(huán)境溫度設(shè)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(jié)溫閾值?
3.3溫升試驗
對優(yōu)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(shè)置了風速儀,采用加熱管來模擬晶閘管發(fā)熱,為了更好地達到均溫的目的,使用5根加熱管,發(fā)熱面積與晶閘管相同,單面發(fā)熱功率1100W?散熱器底板開槽,將感溫線埋于底板內(nèi),并確認探點與鋁板接觸良好?
測試環(huán)境溫度為32℃,試驗數(shù)據(jù)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(huán)境溫度的溫差為57.7℃,第3.2節(jié)仿真結(jié)果與環(huán)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(nèi),因此優(yōu)化后的風冷散熱器在散熱性能方面滿足設(shè)計要求?
4結(jié)語
本文根據(jù)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(shè)計和溫升仿真計算,針對仿真結(jié)果不滿足設(shè)計要求的情況,對散熱器進行了結(jié)構(gòu)性能上的優(yōu)化,并通過樣品試制驗證了優(yōu)化后風冷散熱器的散熱性能,最終設(shè)計出滿足該融冰裝置的散熱器?
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