0引言
直流融冰装置能够有效消除附着在电网输变电设备上的冰雪,因而能够较大程度地避免冰雪灾害对电网带来的重大损失｡
直流融冰的基本原理是将系统的交流电转化为直流电,然后利用直流电对输电线路进行加热来融化冰雪｡
晶闸管是直流融冰装置的关键部件之一,晶闸管作为一种大功率的半导体元器件,在工作时会因电流通过而发热,若温度过高,超过一定阈值,会导致晶闸管的性能下降,甚至烧毁｡为了保证融冰装置的稳定运行,晶闸管的温度不能超过阈值,因此设计有效的散热器是保证直流融冰装置稳定运行的关键｡
晶闸管主要的冷却方式有水冷和风冷,水冷散热效果好,但需购置水冷设备,占地面积大,并且水冷直流融冰装置内部水管与线路交错复杂,不便于维护与检修｡本文优化设计的对象是某工程融冰装置晶闸管风冷散热器,与水冷相比,风冷装置更节省占地,维护更加简便,并且没有漏水的风险｡
1晶闸管传热原理
晶闸管在运行时,通态时的功率损耗导致晶闸管内部P-N结处产生大量的热量,为了使晶闸管迅速降温,通常在晶闸管两侧压装风冷散热器,如图1所示｡
热量首先由晶闸管内部的P-N结(j)传导至管壳(c),其热阻表示为Rjc,然后热量从管壳(c)传导至风冷散热器(h),其热阻表示为Rch,最后热量从风冷散热器(h)传导至周围的空气(a),其热阻表示为Rha｡由于晶闸管管壳传导给周围空气的热量相对较少,因此不考虑它们之间的热阻,所以,整个热传导过程中的总热阻R为:
其中,热阻的单位为摄氏度每瓦(℃/W)｡
本文通过优化风冷散热器的结构来降低热阻Rha,从而提高晶闸管的散热性能｡
2有限元仿真分析
2.1风冷散热器结构
晶闸管和风冷散热器是通过工装压装在一起的,由于工装的限制,长度方向有250mm的距离,但还需要预留检修空间,因此确定风冷散热器的长度为200mm｡本工程是移动融冰装置,融冰装置是放置在集装箱内,因此高度方向有限制,风冷散热的高度为105mm,而宽度方向由于风道结构的约束,风冷散热器的宽度确定为180mm｡散热器在装置中不仅需要为晶闸管散热,还需要为结构提供强度,承受装置的较高压力,散热器整体材质为兼顾散热效率和结构强度的工业铝材6063｡风冷散热器的结构如图2所示｡
散热器中间风道间隔布置翅片,可以增大散热面积,提高风冷的散热效果｡
2.2边界条件与网格划分
本文利用有限元软件ANSYS的Icepak模块来对风冷散热器进行仿真计算｡首先将风冷散热器三维模型导入到ANSYS中,建立合适的流体域,如图3所示｡为使有限元模型与实际情况尽可能相同,设计的流体计算域为最外侧实线所包裹的长方体区域,计算域X轴方向的长度为200mm,Y轴方向的长度为105mm,Z轴方向的长度为380mm｡
根据本工程参数设置边界条件,单个晶闸管的发热功率为2200W,由于是双侧散热,因此单侧发热功率为1100W｡进风温度按照环境温度设定为20℃,风速为6.5m/s｡
在图3中,1代表进风口,并设置Z轴方向的风速为6.5m/s,温度为20℃;2代表出风口,参数默认;3和4是模拟晶闸管发热盘面设定的直径为110mm的面热源,它们的发热功率各为1100W｡
边界条件创建好之后进行网格划分｡本文采用的网格类型是六面体占优网格,模型的网格划分结果如图4所示｡
划分后,获得了532072个网格单元和557172个网格节点,图中所示网格质量的面对齐率为0.95,远大于通常面对齐率一般要求的0.15,网格质量较好,可以进行下一步计算｡
2.3散热器温升仿真计算
边界条件和网格划分完成后,进入计算步骤,通过迭代计算,当计算结果收敛时,获得风冷散热器的温度场,如图5所示｡
通过温度云图可以看出,晶闸管与风冷散热器接触面处的温度最高达到90.3℃,超出晶闸管的结温阈值85℃较多,在此条件下长期运行,装置会有风险,故需要对风冷散热器的设计进行优化｡
3改进方案
3.1风冷散热器结构优化
风冷散热器的整体尺寸不能变化太大,因此在不改变风冷散热器整体尺寸的条件下,在盖板内设置了热管来提高风冷散热器的散热性能｡优化后的风冷散热器如图6所示｡
3.2优化后散热器温升仿真
根据上文所述的散热器仿真边界条件,对优化后的风冷散热器进行仿真计算,得到散热器温度云图,如图7所示｡
从图7可以看出,进风温度按照环境温度设定为20℃,风速为6.5m/s,风冷散热器工作时的表面最高温度为80.9℃,未超过晶闸管结温阈值｡
3.3温升试验
对优化后的风冷散热器进行了样品试制,并开展了温升试验,试验平台如图8所示｡
测试时在距离散热器出风口30mm处设置了风速仪,采用加热管来模拟晶闸管发热,为了更好地达到均温的目的,使用5根加热管,发热面积与晶闸管相同,单面发热功率1100W｡散热器底板开槽,将感温线埋于底板内,并确认探点与铝板接触良好｡
测试环境温度为32℃,试验数据如图9所示,风速为6.5m/s的时候散热器表面的最高温度为89.7℃,此时散热器表面最高温度与环境温度的温差为57.7℃,第3.2节仿真结果与环境温度的温差约60.9℃,误差为5.3%,考虑到仿真与试验的条件存在偏差,本文认为误差在可接受的范围内,因此优化后的风冷散热器在散热性能方面满足设计要求｡
4结语
本文根据某工程直流融冰装置晶闸管的散热需求,对风冷散热器进行了初步设计和温升仿真计算,针对仿真结果不满足设计要求的情况,对散热器进行了结构性能上的优化,并通过样品试制验证了优化后风冷散热器的散热性能,最终设计出满足该融冰装置的散热器｡
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