安裝于集裝箱中的SVG散熱系統(tǒng)分析與改進(jìn)

殷 炯，師蒙招，王玉斌，孫 林，張 祥

● （株洲南車(chē)時(shí)代電氣股份有限公司，湖南 株洲412001）

安裝于集裝箱中的SVG散熱系統(tǒng)分析與改進(jìn)

殷 炯，師蒙招，王玉斌，孫 林，張 祥

● （株洲南車(chē)時(shí)代電氣股份有限公司，湖南 株洲412001）

根據(jù)柜體的結(jié)構(gòu)布置和功率模塊的損耗，對(duì)安裝在集裝箱中的10KV/5MW的SVG散熱系統(tǒng)進(jìn)行了分析。利用ICEPAK分析軟件對(duì)SVG柜體的通風(fēng)散熱過(guò)程進(jìn)行了模擬仿真分析。結(jié)果表明，原散熱系統(tǒng)方案不能滿足 SVG運(yùn)行的需要。根據(jù)存在的問(wèn)題，提出了更換風(fēng)機(jī)型號(hào)和改進(jìn)風(fēng)道等改進(jìn)措施，以滿足SVG的散熱要求。

SVG；散熱系統(tǒng)；有限元仿真

0 引言

SVG(Static Var Generator )靜止無(wú)功發(fā)生器是當(dāng)今無(wú)功補(bǔ)償領(lǐng)域的新技術(shù)應(yīng)用的代表，屬于靈活柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)的重要組成部分。SVG的基本原理是利用可關(guān)斷大功率電力電子器件(如IGBT)組成自換相橋式電路，經(jīng)過(guò)電抗器或者直接并聯(lián)于電網(wǎng)上中，相當(dāng)于一個(gè)可變的無(wú)功電流源。通過(guò)調(diào)節(jié)逆變器交流側(cè)輸出電壓幅值和相位，或者直接控制其交流側(cè)電流的幅值和相位，迅速吸收或者發(fā)出所需要的無(wú)功功率，自動(dòng)補(bǔ)償電網(wǎng)系統(tǒng)所需的無(wú)功功率，對(duì)電網(wǎng)無(wú)功功率實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)級(jí)補(bǔ)償。

近年來(lái)，隨大功率電力電子技術(shù)的快速發(fā)展和國(guó)家節(jié)能降耗政策的推廣，SVG的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。SVG中使用的可關(guān)斷大功率電力電子器件(如 IGBT)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生功率損耗，所損耗的功率要通過(guò)發(fā)熱形式耗散出去。若設(shè)備的散熱能力有限，則功率的損耗就會(huì)造成器件內(nèi)部芯片有源區(qū)溫度上升及結(jié)溫升高，使得器件可靠性降低，無(wú)法安全正常工作。SVG散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞，直接影響到SVG能否穩(wěn)定可靠的長(zhǎng)時(shí)間工作。參考文獻(xiàn)的研究對(duì)象主要是大功率元器件或功率模塊，本文將以 10KV/5MW SVG為例，對(duì)SVG設(shè)備的散熱系統(tǒng)進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 SVG散熱系統(tǒng)

為了保證SVG設(shè)備長(zhǎng)期安全可靠的工作和運(yùn)輸方便，設(shè)備柜放置在一個(gè)尺寸為8000mm×3600mm×3500mm 的電力工程特種集裝箱中。SVG設(shè)備主要由啟動(dòng)柜、功率柜和控制柜組成，啟動(dòng)柜和控制柜損耗較小，不予考慮，主要分析功率柜的散熱。SVG功率柜散熱系統(tǒng)采用強(qiáng)迫風(fēng)冷進(jìn)行散熱，前門(mén)進(jìn)風(fēng)，后頂部出風(fēng)的方案。柜體的前、后部分用擋風(fēng)隔板分開(kāi)，置于柜體后頂部的離心風(fēng)機(jī)迫使氣流從集裝箱進(jìn)風(fēng)口、功率柜前門(mén)濾網(wǎng)進(jìn)入的進(jìn)入柜體內(nèi)，穿過(guò)IGBT功率模塊的散熱器并發(fā)生熱交換，帶走IGBT元件損耗產(chǎn)生的熱量，然后經(jīng)三聯(lián)和二聯(lián)風(fēng)道、出風(fēng)口排出集裝箱。

SVG設(shè)備在后頂部布置了5臺(tái)RMA 450D4.138B-2FT的帶安裝支架外轉(zhuǎn)子無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)散熱，額定風(fēng)量為4000m3/h，其性能參數(shù)和壓力-流量曲線分別如表1和圖1所示。

表1 RMA 450D4.138B-2FT風(fēng)機(jī)的基本性能參數(shù)

SVG設(shè)備在現(xiàn)有的散熱系統(tǒng)下工作過(guò)程中出現(xiàn)超溫故障，說(shuō)明其散熱效果不佳，IGBT結(jié)溫過(guò)高，需要重新對(duì)散熱情況進(jìn)行核算。

2 散熱風(fēng)量的核算

2.1 模塊所需風(fēng)量的計(jì)算

SVG設(shè)備主要的發(fā)熱元件是功率模塊中的可關(guān)斷大功率電力電子器件(如IGBT)。以SVG項(xiàng)目為例，該設(shè)備功率模塊為SVG600，每個(gè)模塊主要發(fā)熱元件是4個(gè)型號(hào)為FZ600R17KE的IGBT元件和1個(gè)放電電阻，每個(gè)IGBT元件損耗功率約為428W，放電電阻發(fā)熱量約為200W，則功率模塊總損耗為 1912W，系統(tǒng)設(shè)置的允許最高工作溫度85℃。

Icepak是一款常用的傳熱、流體CAE仿真軟件，采用的是 FLUENT計(jì)算流體力學(xué)(CFD)求解器，能夠完成靈活的網(wǎng)格劃分，可利用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格求解復(fù)雜幾何問(wèn)題。將環(huán)境溫度設(shè)為40℃，對(duì)SVG600功率模塊施加不同進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速的條件下，通過(guò)Icepak軟件對(duì)功率模塊的熱傳導(dǎo)進(jìn)行模擬仿真 ，可得到不同進(jìn)口風(fēng)速條件下散熱器背面 IGBT的溫度云圖和流經(jīng)散熱器翅片風(fēng)速分布圖。

從圖2、3可知，要想IGBT元件穩(wěn)定可靠的長(zhǎng)期工作，功率模塊散熱器風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口的平均風(fēng)速最低不能小于3m/s，同時(shí)流經(jīng)散熱器翅片的風(fēng)速最低不低于6.5m/s。功率模塊散熱器風(fēng)道的尺寸為268mm×132mm，這樣功率模塊所需最低冷卻風(fēng)量為：

圖2 不同進(jìn)口風(fēng)速I(mǎi)GBT的溫度云圖(℃)

圖3 不同進(jìn)口風(fēng)速下流經(jīng)散熱器翅片風(fēng)速分布圖(m/s)

2.2 所需總風(fēng)量的計(jì)算

10KV/5MW SVG共33個(gè)SVG600功率模塊，則設(shè)備所需總風(fēng)量為：

考慮到模塊通風(fēng)的不均勻和余量。取一個(gè)安全系數(shù)為1.5～2，則實(shí)際所需風(fēng)量為：

SVG采用5臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)散熱，總額定風(fēng)量為20000m3/h，勉強(qiáng)能滿足總通風(fēng)量的要求，但是安全系數(shù)較小，不一定能保證散熱效果，需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究分析。

3 散熱仿真分析

通過(guò)有限元軟件Icepak對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬分析，簡(jiǎn)化了分析過(guò)程，而且可以得到準(zhǔn)確直觀的溫度、流體分布情況。icepak的后處理器可查看SVG柜體內(nèi)流體、溫度和風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)等參數(shù)的分布情況。

3.1 流體分布

從圖4所示的流體分布圖可知，柜體內(nèi)通過(guò)功率模塊內(nèi)部散熱器翅片的風(fēng)速約為6m/s，小于功率模塊內(nèi)部散熱器風(fēng)道要求的最低風(fēng)速6.5m/s，不能滿足功率模塊IGBT元件散熱要求。

圖4 流體速度分布場(chǎng)

3.2 溫度分布

Icepak可以使用后處理器中的cut查看柜體截面的溫度場(chǎng)分布情況，如圖5所示。在環(huán)境溫度設(shè)置為40℃時(shí)，柜體內(nèi)部的溫度均在53℃以下，溫升不超過(guò)15℃。

圖5 柜體切面溫度云圖

3.3 風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)

打開(kāi)下拉菜單中Report中的Fan operating points，可以查看每個(gè)風(fēng)機(jī)的工作狀況，即風(fēng)機(jī)的實(shí)際壓頭壓力和輸出風(fēng)量，見(jiàn)表2。

表2 風(fēng)機(jī)實(shí)際工作情況

4 試驗(yàn)結(jié)果比較

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的散熱系統(tǒng)以及選擇的風(fēng)機(jī)是否滿足散熱的基木要求，同時(shí)檢驗(yàn)仿真分析結(jié)果的可信度，使用風(fēng)速儀對(duì)圖6所示柜體出風(fēng)口流體速度進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，并與仿真結(jié)果進(jìn)行比較。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與明仿真結(jié)果誤差在合理的范圍區(qū)域內(nèi)結(jié)果見(jiàn)表3，仿真結(jié)果具有較高的可信度。

圖6 出風(fēng)口測(cè)量點(diǎn)示意圖

表3 出風(fēng)口實(shí)測(cè)風(fēng)速與仿真結(jié)果對(duì)比

5 改進(jìn)措施

通過(guò)前面的分析我們知道，原設(shè)計(jì)方案風(fēng)機(jī)之間布置過(guò)緊，同時(shí)采用的是二聯(lián)和三聯(lián)風(fēng)道，風(fēng)機(jī)之間可能相互干涉，在風(fēng)道內(nèi)形成渦流，增加了風(fēng)道的壓力損失，造成風(fēng)機(jī)實(shí)際輸出風(fēng)量不足，不能很好滿足散熱要求。

為解決原設(shè)計(jì)方案存在的問(wèn)題，加大總通風(fēng)量，將5臺(tái)RMA 450D4.138B-2FT風(fēng)機(jī)改為3臺(tái)RAM 560D.155B-3KT風(fēng)機(jī)，并且每臺(tái)風(fēng)機(jī)采用獨(dú)立風(fēng)道，額定總風(fēng)量為24000 m3/h，能夠滿足SVG散熱總風(fēng)量的要求。其性能參數(shù)和壓力-流量曲線分別如表4和圖7所示。根據(jù)新散熱系統(tǒng)建立仿真模型，同樣使用Icepak對(duì)通風(fēng)散熱過(guò)程進(jìn)行模擬分析，求得新方案的通風(fēng)散熱情況。

表4 RAM 560D.155B-3KT風(fēng)機(jī)基本性能參數(shù)

圖7 RAM 560D.155B-3KT風(fēng)機(jī)P-Q曲線

5.1 流體分布

從圖8所示的流體分布圖可知，柜體內(nèi)通過(guò)功率模塊內(nèi)部散熱器翅片的風(fēng)速約為7m/s以上，滿足功率模塊內(nèi)部散熱器風(fēng)道要求的風(fēng)速，能夠滿足功率模塊IGBT元件散熱要求。

5.2 溫度分布

如圖9所示，在環(huán)境溫度設(shè)置為40℃時(shí)，柜體內(nèi)部的溫度均在50℃以下，溫升不超過(guò)15℃。

5.3 風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)

從表5可看出，風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)在合理工作區(qū)域內(nèi)，實(shí)際輸出風(fēng)量大于散熱所需風(fēng)量，能夠滿足SVG的通風(fēng)散熱要求。

圖8 流體速度分布場(chǎng)

圖9 柜體切面溫度云圖

表5 風(fēng)機(jī)實(shí)際工作情況

6 結(jié)論

安裝在集裝箱中的10KV/5MW的SVG在工作過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)超溫警報(bào)，說(shuō)明通風(fēng)散熱不良。通過(guò)仿真軟件對(duì)設(shè)備在箱變中的通風(fēng)散熱過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，原有散熱方案實(shí)際通風(fēng)量過(guò)小，不能滿足散熱要求。實(shí)測(cè)出風(fēng)口速度數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的誤差在合理范圍，這個(gè)結(jié)果說(shuō)明仿真數(shù)據(jù)可信度較高。通過(guò)更改原設(shè)計(jì)方案中的風(fēng)機(jī)型號(hào)和風(fēng)道的改進(jìn)措施，加大實(shí)際通風(fēng)，新的散熱系統(tǒng)能滿足散熱要求。

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Thermal System Analysis and Improvement of SVG Installed In Container

YIN Jiong, SHI Meng-zhao, WANG Yu-bin, SUN Lin, ZHANG Xiang
(Zhuzhou CSR Times Electric Co., Ltd., Zhuzhou 412001, China)

According to SVG cabinet structure layout and power modules losses on SVG, the thermal system of 10KV/5MW SVG installed in the container is studied.The heat dissipation process of SVG cabinet is simulated by using finite element analysis software ICEPAK, and the simulation results show that the thermal system cannot meet the requirement of heat dissipation.According, which can the existing problems, some improved measures like modifying the blowers model and improving the air duct are proposed to meet the requirement of heat dissipation.

SVG; thermal system; finite element simulation

TM46

A

殷炯（1978-），男，碩士，工程師，從事變流產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和熱仿真研究。