三電平變頻器水冷散熱器溫度場(chǎng)的計(jì)算與分析

石書華, 李守法, 張海燕, 逯乾鵬, 梁安江, 李建功

(1.上海電氣電站設(shè)備有限公司發(fā)電機(jī)廠,上海200240;2.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院,上海200240)

三電平靜止頻率變換裝置(SFC)是一種運(yùn)行可靠、性能優(yōu)良的變頻起動(dòng)裝置.鑒于大功率SFC功率器件發(fā)熱比較集中的特點(diǎn),在產(chǎn)品開發(fā)中選用水冷散熱系統(tǒng).水冷散熱器的設(shè)計(jì)質(zhì)量直接影響功率器件的壽命,從而影響SFC的質(zhì)量和運(yùn)行可靠性.對(duì)SFC功率器件的熱分析十分重要,但是準(zhǔn)確分析功率器件的溫度分布存在很大困難:首先,功率器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜;其次,功率器件的損耗與器件的導(dǎo)通規(guī)律和導(dǎo)通時(shí)間直接相關(guān)[1-2];再者,散熱系統(tǒng)的好壞決定著功率器件溫升的高低.在水冷散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中,通過(guò)對(duì)功率器件水冷散熱器的熱分析可以考核功率器件的溫升.因此,水冷散熱器的設(shè)計(jì)成為SFC系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié).

國(guó)內(nèi)外研究者針對(duì)功率器件損耗的計(jì)算分析及散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量工作.Mestha和Dahono等提出了一些分析兩電平逆變器通態(tài)損耗的方法[2-3];Sibylle和Lai等對(duì)級(jí)聯(lián)多電平變頻器的通態(tài)損耗進(jìn)行了研究[4-5];王群京等給出了中點(diǎn)箝位型三電平逆變器通態(tài)損耗的一種簡(jiǎn)單計(jì)算方法[1];張舟云等對(duì)牽引逆變器散熱系統(tǒng)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)[6];黃煒等對(duì)風(fēng)冷高壓變頻器的散熱系統(tǒng)進(jìn)行了研究[7];李偉力等從溫度場(chǎng)的角度對(duì)鍋爐燃燒器的水冷壁進(jìn)行了熱分析[8].從查閱的文獻(xiàn)來(lái)看,有關(guān)高壓變頻器中功率器件水冷散熱器溫度場(chǎng)方面的研究還較少.

針對(duì)1臺(tái)2 MW/3.3 kV三電平SFC中的功率器件水冷散熱器,筆者建立了其溫度場(chǎng)的三維數(shù)學(xué)模型和有限元計(jì)算模型,計(jì)算了三電平SFC在額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)水冷散熱器的溫度場(chǎng),并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該溫度場(chǎng)計(jì)算模型的合理性和計(jì)算結(jié)果的正確性.在該溫度場(chǎng)計(jì)算模型的基礎(chǔ)上,分析了冷卻水流量對(duì)水冷散熱器溫度場(chǎng)的影響,為水冷散熱器和冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ).

1 水冷散熱器三維溫度場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算

1.1 求解域模型的建立

以1臺(tái)2 MW/3.3 kV三電平SFC為例,其功率器件采用EUPEC FZ1200R33KF2C絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)模塊,對(duì)稱分布在水冷散熱器的兩面,水冷散熱器中間距相等的3個(gè)管道按S型聯(lián)接(圖1).水冷散熱器的基本參數(shù)見表1.

圖1 功率器件與水冷散熱器的實(shí)物圖Fig.1 Power device and water-cooled heat sink

為建立水冷散熱器的三維溫度場(chǎng)模型,進(jìn)行以下假設(shè)和等效:

(1)功率器件的損耗全部集中在安裝基板上并且均勻分布.

表1 水冷散熱器的基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of the water-cooled heat sink mm

(2)忽略功率器件基板與水冷散熱器間的接觸熱阻.

(3)在設(shè)計(jì)水流量下,與水流對(duì)水冷散熱器及功率器件的對(duì)流散熱效果相比,空氣的自然散熱效果可以忽略不計(jì).因此,在計(jì)算過(guò)程中忽略水冷散熱器和功率器件與空氣之間的熱交換.

(4)在設(shè)計(jì)水流量下,進(jìn)、出水溫差較小,可以認(rèn)為管道內(nèi)水溫沿水流方向呈線性分布[9],從而可省略沿水流方向水的能量方程的求解,大大減少計(jì)算量;并且忽略流體在管道端部連接處的溫差.

在上述假設(shè)和等效條件下,取水冷散熱器的1/2和功率器件的銅基板作為求解域,求解域模型示于圖2,其中A1區(qū)域是管道表面,通過(guò)對(duì)流方式散熱,為第三類邊界面;其余表面是絕熱面,為第二類邊界面.

圖2 求解域模型Fig.2 Model of solving region

圖3給出了求解域的單元剖分圖.

圖3 求解域的單元剖分圖Fig.3 Mesh of solving region

求解域內(nèi)三維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的邊值問(wèn)題為[10]:

式中:T為物體的溫度,℃;Tf為冷卻水的溫度,℃;kx、ky、kz分別為物體在 x、y、z 方向的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m?K);q為熱源密度,W/m3;n為單位法向矢量;h為傳熱系數(shù),W/(m2?K);S1、S2分別為第二類和第三類邊界面.

上述邊值問(wèn)題的等價(jià)變分為:

式中:Ω為求解域.

當(dāng)泛函取極值,即?J/?T=0時(shí),可知:

式中:T為求解域內(nèi)全部節(jié)點(diǎn)溫度所形成的溫度矩陣;K為總體系數(shù)矩陣;F為總體右端列矢量.

將邊界條件代入上式,最終得到一個(gè)線性方程組,解此方程組即可得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度值.

1.2 流體傳熱系數(shù)的確定

管道中流體傳熱系數(shù)的確定對(duì)求解水冷散熱器溫度場(chǎng)至關(guān)重要.傳熱系數(shù)根據(jù)以下方法求取[11].

假設(shè)管子內(nèi)表面為光滑圓柱面,則冷卻水通道的雷諾數(shù)可表示為:

式中:Red為雷諾數(shù);ρ為流體的密度,kg/m3;u為流體的流速,m/s;d為管道的直徑;μ為流體的動(dòng)力黏度,kg/ms.

(1)對(duì)于紊流,努塞爾數(shù)可按下式求取:

式中:Nud為努塞爾數(shù);Pr為普朗特?cái)?shù).

(2)對(duì)于層流,努塞爾數(shù)可按下式求取:

式中:L為管道長(zhǎng)度,m.

流體的傳熱系數(shù)為:

式中:λ為流體的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m?K).

1.3 熱源的確定

在三電平中點(diǎn)箝位型SFC中,功率器件的熱量主要是由IGBT、反并聯(lián)二極管以及箝位二極管在周期性地經(jīng)歷各種狀態(tài)時(shí)所產(chǎn)生的.通常,反并聯(lián)的快恢復(fù)二極管的截止損耗和通態(tài)損耗在總功耗中所占的比例較小[1],在水冷散熱器的設(shè)計(jì)中可以忽略不計(jì).IGBT模塊的總功耗 P可近似認(rèn)為是其通態(tài)損耗Pfw、開通損耗Pon和關(guān)斷損耗 Poff之和,即:

IGBT模塊的開通損耗和關(guān)斷損耗可根據(jù)使用器件的參數(shù)曲線計(jì)算得到,其通態(tài)損耗 Pfw以及箝位二極管損耗的計(jì)算可參閱文獻(xiàn)[1].

在求解水冷散熱器的溫度場(chǎng)時(shí),將功率器件的損耗以熱流密度的方式施加到散熱器的有限元求解模型中,作為溫度場(chǎng)計(jì)算的熱源.

2 水冷散熱器的溫升試驗(yàn)

對(duì)三電平SFC的水冷散熱器進(jìn)行了溫升試驗(yàn).根據(jù)1.3節(jié)中所確定的功率器件的發(fā)熱功率,用鋁殼電阻產(chǎn)生等值發(fā)熱功率來(lái)加熱水冷散熱器,以模擬功率器件的發(fā)熱效果.圖4為水冷散熱器和鋁殼電阻的實(shí)物圖.用流量計(jì)測(cè)量水流量的大小;用溫度計(jì)測(cè)量水的進(jìn)、出口溫度;用PT100鉑電阻測(cè)量散熱器表面的溫度,測(cè)量位置見圖5.其中,PT100鉑電阻的放置點(diǎn)A、D均為水冷散熱器的端部(鋁殼電阻放置的一端),B為水冷散熱器的中部,C為水冷散熱器的另一端.

圖4 水冷散熱器和鋁殼電阻實(shí)物圖Fig.4 Water-cooled heat sink and aluminum case resistor

圖5 水冷散熱器溫度的測(cè)量位置Fig.5 Positions of temperature probes

3 結(jié)果與分析

在三電平SFC額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)功率器件熱損耗準(zhǔn)確計(jì)算的基礎(chǔ)上,將熱源代入溫度場(chǎng)求解程序計(jì)算水冷散熱器的穩(wěn)態(tài)溫度分布,結(jié)果示于圖6和圖7.為了與試驗(yàn)條件基本相符,在設(shè)計(jì)水流量下,進(jìn)、出水溫差為5 K,計(jì)算中取水冷散熱器的進(jìn)口水溫為28℃.

從圖6可以看出,與功率器件相接觸的水冷散熱器表面溫度最高;散熱器距功率器件越遠(yuǎn),其表面溫度越低.從圖7可以看出,沿管道方向散熱器溫度分布并非完全左右對(duì)稱,進(jìn)水口處散熱器表面的溫度略低于出水口處散熱器表面的溫度.這是因?yàn)殡m然沿管道方向熱源分布是完全左右對(duì)稱的,但由于散熱器中的3個(gè)管道是按S型聯(lián)接的以及假設(shè)條件(4),使得求解域的邊界條件沿水流方向是變化的.

圖6 求解域的溫度分布Fig.6 Temperature distribution of solving region

圖7 水冷散熱器的溫度分布Fig.7 Temperature distribution of the water-cooled heat sink

各測(cè)量點(diǎn)溫度的計(jì)算值和測(cè)量值的比較見表2.從表2中可以看出,各點(diǎn)的計(jì)算值和測(cè)量值能較好地吻合,滿足工程計(jì)算精度,但計(jì)算值略高于測(cè)量值,這主要是由于:①求解域中沒(méi)有包括散熱器管道的端部連接件,使得管道有效長(zhǎng)度減小,散熱效果變差;②忽略了水冷散熱器表面與空氣的熱交換.

表2 不同測(cè)點(diǎn)溫度計(jì)算值與測(cè)量值的比較Tab.2 Comparisons of the calculated values with the measured values at different positions ℃

4 流量對(duì)水冷散熱器溫度場(chǎng)的影響

保持發(fā)熱功率恒定不變,分別取流量為設(shè)計(jì)流量的k倍,分析管道中冷卻水流量對(duì)水冷散熱器溫度分布的影響.圖8給出了不同流量時(shí)水冷散熱器的溫度場(chǎng)(俯視圖).為便于比較分析,計(jì)算中取水冷散熱器進(jìn)口水溫為28℃,出口水溫按SFC發(fā)熱強(qiáng)度除以冷卻水流量與水的比熱容之積計(jì)算得到.

圖8 不同流量下水冷散熱器的溫度場(chǎng)Fig.8 Thermal fields of water-cooled heat sink at different flows

由圖8可以看出,流量大小沒(méi)有改變水冷散熱器的溫度分布趨勢(shì),即水冷散熱器的最高溫度和最低溫度的位置沒(méi)有發(fā)生改變.隨著流量的增加,水冷散熱器的最高溫度和最低溫度都有所降低,最低溫度的變化幅度較小,而最高溫度的變化幅度則比較明顯.

圖9給出了水冷散熱器最高溫度隨流量的變化曲線.當(dāng)實(shí)際流量大于設(shè)計(jì)流量時(shí),隨著流量的增加,水冷散熱器最高溫度逐漸降低,但溫度降低幅度逐漸減小并趨于平緩;當(dāng)實(shí)際流量小于設(shè)計(jì)流量時(shí),隨著流量的減小,水冷散熱器最高溫度顯著升高,且溫度升高幅度越來(lái)越大.在流量為0.6倍設(shè)計(jì)流量時(shí),水冷散熱器的最高溫升已經(jīng)不符合最高溫升25 K的設(shè)計(jì)要求.

圖9 流量對(duì)水冷散熱器最高溫度的影響Fig.9 Influence of flow on the maximum temperature of water-cooled heat sink

5 結(jié) 論

(1)求解水冷散熱器溫度場(chǎng)時(shí),在冷卻水溫升較小的情況下,管道內(nèi)水溫沿水流方向呈線性分布的假設(shè)是合理的,計(jì)算結(jié)果與測(cè)量值相吻合.

(2)通過(guò)計(jì)算水冷散熱器表面溫升來(lái)估算功率器件的溫升,從而解決了直接求取功率器件溫升的難點(diǎn).

(3)冷卻水流量對(duì)水冷散熱器的溫度分布影響顯著,通過(guò)合理設(shè)計(jì)流量可以滿足水冷散熱器溫升的設(shè)計(jì)要求.

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