250 kW儲能逆變器熱仿真分析研究

章曉沛，王堯

（東方電氣集團中央研究院，四川成都，611731）

250 kW儲能逆變器熱仿真分析研究

章曉沛，王堯

（東方電氣集團中央研究院，四川成都，611731）

文章以250 kW儲能逆變器為例，對熱設計的思路進行了論述，并詳細介紹了機柜級熱仿真分析的步驟和方法。同時，通過對熱仿真結果的分析，對進一步優(yōu)化結構設計提出了改進建議。

250 kW儲能逆變器，熱設計，機柜級熱仿真分析

0　引言

電力電子設備所處的工作環(huán)境中自然環(huán)境的影響因素主要包括：溫度、沙塵、霉菌、降水等。為保證電力電子設備在各類惡劣環(huán)境中能最可靠、最充分地發(fā)揮設備的功能，需要對其進行環(huán)境適應性設計。其中，電力電氣機柜在苛刻的環(huán)境溫度下，加上設備自身的負荷大小和發(fā)熱量，對機柜的熱設計提出了更高的要求。

熱設計根據設計對象的大小和復雜程度劃分為幾個層級：PCB板級熱設計、模塊級熱設計、設備級熱設計和系統級熱設計。電氣機柜內部既有功率模塊，又有多個獨立的電子元器件，屬于系統級別。機柜級的熱設計由于機柜內元器件眾多、布局復雜、熱源分布分散等原因，相對于模塊級和設備級熱設計更加復雜和困難。在大機柜內，可能采用多種散熱方式，同時還要考慮不同散熱器的位置和選型。在樣機加工制造裝配完成之后，通過做實驗的方式獲取關鍵元器件的溫度情況，若實驗結果不符合設計需求，需要重新設計的成本將會急劇增加。為了節(jié)約設計時間和設計成本，在樣機生產之前對模型進行熱仿真分析，得出柜體內部溫度分布情況，指導結構設計，可以大大節(jié)約設計時間，降低生產成本。

本文針對東方自控研發(fā)的250 kW儲能逆變器，利用熱分析軟件進行仿真計算，將仿真分析結果加以綜合利用，以指導工程設計，保證它具有好的環(huán)境適應性和高的使用可靠性。

1　熱傳遞機理

熱能的傳遞有3種基本方式：熱傳導、熱對流和熱輻射。

物體各部位之間不發(fā)生相對位移時，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而產生的熱能傳遞過程稱為熱傳導。

熱對流是指由于流體的宏觀運動而引起的流體各部分之間發(fā)生相對位移，冷、熱流體相互摻混所導致的熱量傳遞過程。熱對流僅能發(fā)生在流體中，而且由于流體中的分子同時在進行著不規(guī)則的熱運動，因而熱對流必然伴隨有熱傳導現象。

物體通過電磁波來傳遞能量的方式稱為輻射。物體會因各種原因發(fā)出輻射能，其中因熱的原因而發(fā)出輻射能的現象稱為熱輻射。

通常情況下，這3種熱傳遞方式不是完全獨立的，它們相互聯系。在機柜的散熱過程中，三者共同起作用。機柜的熱設計就是遵循以上原理，對機柜結構、風道設計、散熱器選型、風扇選型等進行優(yōu)化，從而達到對機柜內部元器件散熱的目的。

2　三種常用的機柜熱設計方法

2.1自然冷卻

自然冷卻無需外部動力作用，是通過熱傳導、熱對流及熱輻射把熱量傳導到機柜的金屬外殼并散發(fā)到外部環(huán)境空間，也可利用自然流動的空氣帶走元器件上的熱量，通過機柜的通風口來實現這一功能。這種散熱方式結構簡單，經濟性好。但是散熱效果一般，只適用于發(fā)熱量小、熱流密度低的機柜。

2.2強迫風冷

強迫風冷是利用風機驅動冷空氣經過電子設備實現強迫冷卻，涉及到風機的選擇和風道的設計，是一種常用的高效的冷卻方式。風機軸流式和離心式兩大類，在選擇風機時需要考慮風量的大小、風壓的強度、產生的噪音、設備本身的自重和體積以及成本等因素。合理的風道設計，可以降低風道的阻力損失，方便更多的風通過發(fā)熱量大的設備，以達到良好的散熱效果。

2.3強迫液冷

某些機柜在防護等級上有更高的要求，采用氣-液熱交換器進行強迫液冷可以很好地避免外界空氣中的灰塵、霉菌等對機柜內部元器件的污染。氣-液熱交換器與氣-氣熱交換器是一樣的，只是冷卻介質是液體，可以通過調節(jié)進口液體溫度和流量，以及合理的流道設計來改變熱交換器的散熱效果。缺點是必須要有供液管路，加工制造成本增加。

綜合考慮項目實際情況，250 kW儲能逆變器采用強迫風冷的散熱方式，根據發(fā)熱元器件的不同，采用相適應的風機，通過熱仿真分析，對散熱器和風機的選型以及風道的合理布局提供參考依據。

3　250 kW儲能逆變器熱設計邊界條件

明確電氣機柜的熱設計邊界條件是進行熱系統設計的前提，熱設計邊界條件包括功率器件的熱損耗，電力電子設備所處的環(huán)境溫度，散熱器的相關信息等等。

東方自控自主研發(fā)的250 kW儲能逆變器，嚴苛的工作環(huán)境溫度為45℃。主要發(fā)熱元器件包括電抗器、變壓器和IGBT，采用強迫風冷的方式進行散熱，功率模塊部分選用離心風機，整體電器柜通過后部和頂部軸流風扇進行散熱。根據項目實際情況，制定了熱設計邊界條件，詳見表1。設計要求是散熱器表面最高溫度不超過95℃。

表1　儲能逆變器熱設計邊界條件

續(xù)表

4　熱仿真前處理

熱仿真分析前處理涉及到對模型的簡化處理、參數的設置、網格劃分、求解前的錯誤檢查等等。前處理水平的高低直接影響到仿真速度的快慢以及仿真結果的準確性。合理的熱仿真前處理，不僅能夠真實地反應設備的整體結構，而且能準確提取影響散熱效果的關鍵參數，在保證熱仿真結果準確的前提下，結合計算機資源及時間成本，合理簡化模型，劃分網格。

4.1模型簡化

熱仿真分析軟件可以導入三維設計軟件繪制的三維模型，但詳細設計完成后的三維模型非常復雜，模型細節(jié)對熱仿真分析結果影響不大。為加快仿真速度，優(yōu)化仿真結果，對三維模型的正確前處理顯得尤為重要。

仿真分析工程師在做模型簡化之前，需要同結構設計工程師詳細溝通設計思路，理解各零部件的設計理念，同時，結合熱設計需求，確定對散熱仿真影響較大的零部件及影響不大的零部件。

對散熱影響不大的元器件可進行相應的模型簡化和刪除，去除不必要的圓孔、圓角、折彎、縫隙等對網格劃分不利，影響仿真速度的特征。對那些影響較大的零部件，例如散熱器、散熱孔等，即便翅片的長寬比或是縫隙的長寬比在40以上，也不能做簡化處理。如果將散熱器簡化成立方體，或是刪除散熱孔，那么散熱器和散熱孔根本起不到散熱的作用，將導致熱仿真的嚴重錯誤。

簡化后的功率模塊三維模型如圖1所示，簡化后的機柜三維模型如圖2所示。

圖1　功率模塊簡化模型

圖2　機柜簡化模型

4.2參數設置

將簡化后的三維模型導入熱仿真軟件，設置風扇參數、零部件材料、發(fā)熱元器件熱耗、環(huán)境溫度等表1中所列的各項熱設計邊界條件。

圖3和圖4分別是軸流風扇和離心風機的風扇曲線設置。

圖3　軸流風扇的風扇曲線

圖4　離心風機的風扇曲線

4.3網格劃分

計算機是無法直接對簡化后的三維模型進行仿真計算的，必須對三維模型進行網格處理，分解為計算機可以利用數學方法進行計算的有限元單元。而且，簡化后的機柜模型仍然比較復雜，零件多達五百多個。在保證仿真結果準確的前提下，為了加快仿真速度，需要對模型進行合理的網格劃分，使得劃分后的網格能以最少的網格數量最準確地體現實際模型結構。圖5是機柜網格劃分的結果圖?？偟木W格數量是40 673 848個。

圖5　機柜網格劃分結果圖

4.4求解計算

邊界條件和網格劃分設置完成之后，設置迭代步數、重力方向等相關解決控制參數，就可以開始散熱仿真計算了。當殘差收斂曲線完全收斂時，計算完成。

5　熱仿真計算結果分析

5.1機柜級熱仿真結果分析

熱設計工程師關心發(fā)熱元器件表面最高溫度和散熱器表面最高溫度，根據仿真結果，結合柜體整體溫度分布云圖，可以對結構設計進一步優(yōu)化。

仿真結果顯示，變壓器最高表面溫度126℃，電抗器表面最高溫度107℃，IGBT緊貼的散熱器表面最高溫度107℃。圖6和圖7分別是柜體整體溫度分布云圖和IGBT+散熱器溫度分布云圖。

散熱器表面最高溫度為107℃，超過設計要求的允許最高溫度95℃。為進一步確定散熱要求未達標的原因是功率模塊的離心風機、散熱器的選型問題還是機柜內部布局及風道設計問題，可單獨對功率模塊進行熱仿真分析。

圖6　柜體整體溫度分布云圖

圖7　IGBT+散熱器溫度分布云圖

5.2功率模塊單獨熱仿真結果分析

功率模塊的熱仿真步驟與機柜的熱仿真步驟相同，模型簡化、參數設置、網格劃分、求解計算，功率模塊單獨熱仿真結果見圖8，散熱器表面最高溫度為89.6℃。單獨的功率模塊設計滿足熱設計需求。

圖8　單獨功率模塊熱仿真分析結果

5.3熱設計優(yōu)化建議

單獨的功率模塊熱設計滿足設計需求，然而在機柜中卻不滿足，主要原因是外部進風經過電抗器和變壓器后變熱，熱風往機柜上部走，經過功率模塊，使得在機柜中的功率模塊環(huán)境溫度遠高于45℃，導致散熱器表面最高溫度超過設計要求。

為使機柜熱設計滿足設計要求，有以下兩方面的建議：

（1）合理設計風道，將吹過電抗器和變壓器后的熱風直接排至機柜外部，保證機柜中的功率模塊周圍環(huán)境溫度不致過高；

（2）重新選擇和設計功率模塊的離心風機或散熱器，加強換熱效果，使在環(huán)境溫度高于45℃時，仍能將溫度降到95℃以下。

6　結論

本文以250 kW儲能逆變器為例，詳細介紹了機柜級熱仿真分析的方法。熱仿真結果顯示單獨的功率模塊工作時滿足熱設計要求，但是在機柜中整體熱仿真并不能滿足設計要求，其主要原因是在機柜中整體工作時，功率模塊的真實環(huán)境溫度遠高于45℃，可根據熱設計優(yōu)化建議進行設計優(yōu)化，并按照熱仿真步驟再次進行熱仿真直至滿足設計需求。熱仿真分析有效地提高了設計效率，降低了設計風險與設計成本。

［1］季馨，王樹榮.電子設備震動環(huán)境適應性設計［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012

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［5］王建平.基于強迫風冷方法的機柜熱設計［J］.硅谷，2011，（11）：54

Thermal Simulation Analysis of 250 kW Storage Energy Inverter

Zhang Xiaopei，Wang Yao

（Central Research Academy of DEC，Chengdu Sichuan，611731）

The paper describes the method of thermal design with 250 kW storage energy inverter as an example，and introduces in detail the step and method of the thermal simulation analysis of cabinet.By analyzing the result of thermal simulation，this study puts forward improvement suggestions on structural optimizing design.

250 kW storage energy inverter，thermal design，thermal simulation analysis of cabinet

TP391

A

1674-9987（2015）02-0074-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.02.016

章曉沛 （1990-），女，碩士，2012年畢業(yè)于香港理工大學機械工程專業(yè)，現于中國東方電氣集團有限公司中央研究院智能裝備與控制技術研究所從事機械系統研究工作。