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(duì)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(duì)輸電線路進(jìn)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(shí)會(huì)因電流通過而發(fā)熱,若溫度過高,超過一定閾值,會(huì)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(yùn)行,晶閘管的溫度不能超過閾值,因此設(shè)計(jì)有效的散熱器是保證直流融冰裝置穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵?
晶閘管主要的冷卻方式有水冷和風(fēng)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(cuò)復(fù)雜,不便于維護(hù)與檢修?本文優(yōu)化設(shè)計(jì)的對(duì)象是某工程融冰裝置晶閘管風(fēng)冷散熱器,與水冷相比,風(fēng)冷裝置更節(jié)省占地,維護(hù)更加簡便,并且沒有漏水的風(fēng)險(xiǎn)?
1晶閘管傳熱原理
晶閘管在運(yùn)行時(shí),通態(tài)時(shí)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(fēng)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(fēng)冷散熱器(h),其熱阻表示為Rch,最后熱量從風(fēng)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(duì)較少,因此不考慮它們之間的熱阻,所以,整個(gè)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(fēng)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(fēng)冷散熱器結(jié)構(gòu)
晶閘管和風(fēng)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(fēng)冷散熱器的長度為200mm?本工程是移動(dòng)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(fēng)冷散熱的高度為105mm,而寬度方向由于風(fēng)道結(jié)構(gòu)的約束,風(fēng)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(qiáng)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(qiáng)度的工業(yè)鋁材6063?風(fēng)冷散熱器的結(jié)構(gòu)如圖2所示?
散熱器中間風(fēng)道間隔布置翅片,可以增大散熱面積,提高風(fēng)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(duì)風(fēng)冷散熱器進(jìn)行仿真計(jì)算?首先將風(fēng)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(shí)際情況盡可能相同,設(shè)計(jì)的流體計(jì)算域為最外側(cè)實(shí)線所包裹的長方體區(qū)域,計(jì)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(gè)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(jìn)風(fēng)溫度按照環(huán)境溫度設(shè)定為20℃,風(fēng)速為6.5m/s?
在圖3中,1代表進(jìn)風(fēng)口,并設(shè)置Z軸方向的風(fēng)速為6.5m/s,溫度為20℃;2代表出風(fēng)口,參數(shù)默認(rèn);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(jìn)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(gè)網(wǎng)格單元和557172個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn),圖中所示網(wǎng)格質(zhì)量的面對(duì)齊率為0.95,遠(yuǎn)大于通常面對(duì)齊率一般要求的0.15,網(wǎng)格質(zhì)量較好,可以進(jìn)行下一步計(jì)算?
2.3散熱器溫升仿真計(jì)算
邊界條件和網(wǎng)格劃分完成后,進(jìn)入計(jì)算步驟,通過迭代計(jì)算,當(dāng)計(jì)算結(jié)果收斂時(shí),獲得風(fēng)冷散熱器的溫度場(chǎng),如圖5所示?
通過溫度云圖可以看出,晶閘管與風(fēng)冷散熱器接觸面處的溫度最高達(dá)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(yùn)行,裝置會(huì)有風(fēng)險(xiǎn),故需要對(duì)風(fēng)冷散熱器的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化?
3改進(jìn)方案
3.1風(fēng)冷散熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化
風(fēng)冷散熱器的整體尺寸不能變化太大,因此在不改變風(fēng)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(fēng)冷散熱器的散熱性能?優(yōu)化后的風(fēng)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(duì)優(yōu)化后的風(fēng)冷散熱器進(jìn)行仿真計(jì)算,得到散熱器溫度云圖,如圖7所示?
從圖7可以看出,進(jìn)風(fēng)溫度按照環(huán)境溫度設(shè)定為20℃,風(fēng)速為6.5m/s,風(fēng)冷散熱器工作時(shí)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(yàn)
對(duì)優(yōu)化后的風(fēng)冷散熱器進(jìn)行了樣品試制,并開展了溫升試驗(yàn),試驗(yàn)平臺(tái)如圖8所示?
測(cè)試時(shí)在距離散熱器出風(fēng)口30mm處設(shè)置了風(fēng)速儀,采用加熱管來模擬晶閘管發(fā)熱,為了更好地達(dá)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(rèn)探點(diǎn)與鋁板接觸良好?
測(cè)試環(huán)境溫度為32℃,試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖9所示,風(fēng)速為6.5m/s的時(shí)候散熱器表面的最高溫度為89.7℃,此時(shí)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(yàn)的條件存在偏差,本文認(rèn)為誤差在可接受的范圍內(nèi),因此優(yōu)化后的風(fēng)冷散熱器在散熱性能方面滿足設(shè)計(jì)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(duì)風(fēng)冷散熱器進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)和溫升仿真計(jì)算,針對(duì)仿真結(jié)果不滿足設(shè)計(jì)要求的情況,對(duì)散熱器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)性能上的優(yōu)化,并通過樣品試制驗(yàn)證了優(yōu)化后風(fēng)冷散熱器的散熱性能,最終設(shè)計(jì)出滿足該融冰裝置的散熱器?
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