海拔高度對變頻器散熱影響的研究*

王 飛，張瀏駿，許佩佩，李佳德

(上海新時達(dá)電氣股份有限公司研發(fā)中心， 上海 201801)

海拔高度對變頻器散熱影響的研究*

王 飛，張瀏駿，許佩佩，李佳德

(上海新時達(dá)電氣股份有限公司研發(fā)中心， 上海 201801)

根據(jù)高海拔地區(qū)空氣的流動特點，引入海拔高度參數(shù)。結(jié)合不同海拔高度空氣特性對散熱器溫度的影響，對文獻(xiàn)[11]提出的板翅式散熱器對流換熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式做了修正。根據(jù)修正后的關(guān)聯(lián)式計算了散熱器出風(fēng)口空氣平均溫度和散熱器平均壓降。修正后的理論計算結(jié)果與仿真結(jié)果的相對誤差小于5%，表明該修正合理。文中的結(jié)果可為高海拔地區(qū)變頻器等電氣產(chǎn)品的熱設(shè)計和可靠性評估提供計算方法和參考數(shù)據(jù)。

海拔高度；散熱；對流換熱系數(shù)；關(guān)聯(lián)式；熱仿真

引 言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，變頻器在電梯、起重、煤礦冶金和空調(diào)等行業(yè)的應(yīng)用快速增長[1]。變頻器內(nèi)元器件的工作溫度不超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是保證變頻器穩(wěn)定運行的關(guān)鍵，工作溫度過高會影響變頻器的使用壽命和可靠性，這就要求進(jìn)行熱設(shè)計時，要考慮到影響散熱的各種因素。目前變頻器的主流散熱方式是以對流傳熱為主的強(qiáng)制風(fēng)冷散熱，對流傳熱受空氣特性參數(shù)(溫度、密度、運動粘度及壓強(qiáng)等)影響較大，而空氣的特性參數(shù)和海拔高度直接相關(guān)。高海拔地區(qū)由于大氣壓小、空氣密度低，空氣運動粘度小，對流傳熱效果較差，導(dǎo)致變頻器的工作溫度升高[2]。

我國1 000 m以上高海拔地區(qū)面積占全國總面積的65%，風(fēng)電、石油和煤炭等資源的70%以上在新疆、內(nèi)蒙等高原地區(qū)，變頻器等電氣設(shè)備在高原地區(qū)的生產(chǎn)和生活中發(fā)揮著重要作用[3]。因此研究不同海拔高度對變頻器等電氣設(shè)備的散熱影響，對變頻器生產(chǎn)商和高海拔地區(qū)的生產(chǎn)活動有重要的意義。

目前主流的熱設(shè)計方法是根據(jù)系統(tǒng)總功耗初步計算所需散熱器的尺寸以及通風(fēng)量，然后利用熱仿真軟件(Icepak、Flotherm等)修正熱設(shè)計方案。如果根據(jù)計算模型的特點和尺寸選擇合適的經(jīng)驗公式和分析方法，然后再結(jié)合熱仿真結(jié)果修正則會使熱設(shè)計方案更接近實際結(jié)果[4]。目前熱設(shè)計方案中考慮海拔高度對散熱影響的文獻(xiàn)較少，文獻(xiàn)[5-6]在考慮海拔高度的基礎(chǔ)上對計算機(jī)的散熱做了研究，但是散熱器計算模型簡單，對用到復(fù)雜板翅式散熱器的變頻器產(chǎn)品不適用；文獻(xiàn)[7]對自然散熱條件下風(fēng)電產(chǎn)品中控制器模塊的高海拔熱性能進(jìn)行了研究，由于沒有涉及到強(qiáng)制風(fēng)冷，其應(yīng)用也很局限；文獻(xiàn)[8]基于試驗結(jié)果對高海拔地區(qū)運行的電力機(jī)車的發(fā)熱部件溫升限值做了修正，由于試驗對象的不可復(fù)制性，修正結(jié)果的應(yīng)用范圍也很?。晃墨I(xiàn)[9-10]考慮到海拔高度的影響因素時，通常引入一個修正系數(shù)，修正誤差在20%以上，不滿足設(shè)計精度要求。

本文以某電梯一體化驅(qū)動控制變頻器為研究對象，根據(jù)高海拔地區(qū)空氣的流動特點，引入海拔高度參數(shù)。結(jié)合不同海拔高度的空氣特性對散熱器溫度的影響，對文獻(xiàn)[11]提出的板翅式散熱器對流換熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式做了修正。根據(jù)修正后的關(guān)聯(lián)式計算了散熱器出風(fēng)口空氣平均溫度和散熱器平均壓降，并將修正后的計算結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對比。本文的計算結(jié)果可為高海拔地區(qū)變頻器等電氣產(chǎn)品的熱設(shè)計和可靠性評估提供計算方法和參考數(shù)據(jù)。

1 變頻器模型

1.1 計算模型

某電梯一體化驅(qū)動控制變頻器整體模型由散熱器、功率模塊、電容、風(fēng)扇、PCB板、電阻等元器件組成，如圖1所示，該模型屬于系統(tǒng)級散熱。作為主要發(fā)熱源的功率模塊的散熱途徑主要有2種：1)功率模塊通過導(dǎo)熱硅脂將熱量傳導(dǎo)到散熱器；2)外界空氣通過風(fēng)扇強(qiáng)制對流換熱帶走散熱器熱量。模型中鋁制散熱器如圖2所示，散熱器寬度W=190 mm，高度L=51.5 mm，長度H=100mm，基板厚度tb=12mm，翅片厚度t=1.5mm，翅片間隙s=3 mm，翅片個數(shù)Nf=42個，鋁制散熱器的導(dǎo)熱系數(shù)λ=209 W/(m·K)。風(fēng)扇型號為科碩R7025Y24BPCP1c-7，工作方式為抽風(fēng)，其在海平面上的特性曲線如圖3所示。變頻器外殼上通風(fēng)孔的開孔率設(shè)定為0.45。散熱器上模塊型號為富士7MBR75VN120-50(75 A)，總功耗為248 W。

圖1 電梯一體化驅(qū)動控制變頻器

圖2 板翅式換熱器

圖3 海平面上風(fēng)扇工作特性曲線

1.2 邊界條件

假設(shè)該模型的傳熱為穩(wěn)態(tài)傳熱，并且忽略熱輻射。不同海拔高度空氣特性如表1所示。從表1可以看出，不同海拔高度空氣特性變化很大(海拔4 000 m處的空氣密度只有海平面的2/3)，因此在計算海拔高度對散熱的影響時要考慮這些因素。

表1 不同海拔高度空氣特性

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 海拔高度和空氣特性之間的數(shù)學(xué)模型

2.1.1 溫度

空氣溫度和海拔高度的關(guān)系為

T(a)=15-0.006 5a

(1)

式中：a表示海拔高度，m；T(a)表示海拔高度a處的環(huán)境溫度，℃。

2.1.2 大氣壓強(qiáng)

大氣壓強(qiáng)與海拔高度的關(guān)系為

P(a)=P0(1-2.255 77×10-5a)5.255 9

(2)

式中：P(a)表示海拔高度a處的大氣壓，Pa；P0表示海平面處的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(101 325 Pa)。

2.1.3 空氣密度

空氣密度與海拔高度的關(guān)系為

(3)

式中：ρ(a)表示海拔高度a處的空氣密度，kg/m3；w(a)表示海拔高度a處的空氣相對濕度；R表示氣體常數(shù)，R=8.314 41 J/(mol·K)。

高海拔地區(qū)空氣的密度和不同海拔高度的溫度有關(guān)，為了便于研究，本文引入相對密度：

(4)

式中：ρ、T、P、w分別為海平面處對應(yīng)參數(shù)。

海拔高度小于4 000 m時，空氣濕度對密度的影響可以忽略不計。為了簡化計算便于分析，本文假定空氣濕度不隨海拔高度發(fā)生變化，式(4)就簡化為

(5)

2.1.4 雷諾數(shù)Re的修正

雷諾數(shù)Re表征特定區(qū)域流體的慣性力與粘性力的比值，表達(dá)式為

(6)

式中：l表示特征長度，m；μ表示流體動力粘度，Pa·s；v表示流速，m/s。

空氣密度隨著海拔高度的改變而改變，但是特定模型特定區(qū)域的尺寸和流速是不變的。因此根據(jù)空氣密度與海拔的關(guān)系，可以得到Re的修正公式：

Re(a)=η(a)Re

(7)

式中，Re(a)表示海拔高度a處的雷諾數(shù)。

2.1.5 換熱系數(shù)hconv的修正

利用Chilton-colburn方程[12]計算對流換熱系數(shù)：

(8)

式中：j為無量綱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；cp為定壓比熱。

引入海拔高度a處的無量綱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)j(a)，則海拔高度a處的換熱系數(shù)hconv(a)可以修正為

(9)

對于特定模型，cp、ρ、v的值不發(fā)生改變，聯(lián)立式(5)、(8)、(9)可得：

(10)

根據(jù)文獻(xiàn)[13]，不同海拔高度的傳熱系數(shù)之間有如下關(guān)系：

(11)

式(10)就可以化簡為

hconv(a)=(1+5×10-5a)hconvη(a)

(12)

式(12)是本文引入海拔高度后對求解傳熱系數(shù)hconv的修正表達(dá)式。

2.2 對流換熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式

關(guān)聯(lián)式如下：

(13)

(14)

利用對數(shù)平均溫差：

(15)

可得：

(16)

式中，T0、Tin、Tout分別為散熱器表面最高溫度、進(jìn)口空氣平均溫度和出口空氣平均溫度。

根據(jù)空氣與散熱器的換熱量相等，即

cpm(Tout-Tin)=hconvAΔTm

(17)

(18)

聯(lián)立式(16)和(18)，可得散熱器出風(fēng)口空氣平均溫度：

(19)

式中：cp為空氣定壓比熱；m為質(zhì)量流量；ρ為空氣密度；v為空氣流速；hconv為平均對流換熱系數(shù)；A為散熱器的散熱面積；A′為空氣流經(jīng)散熱器出風(fēng)口的面積。

板翅式散熱器的壓降表達(dá)式為[14]

(20)

3 結(jié)果討論與分析

本文引入修正后的對流換熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式對高海拔地區(qū)的電梯一體化驅(qū)動控制變頻器做散熱理論分析。分別計算海拔高度0m、1 000m、2 000m、4 000m時散熱器出風(fēng)口空氣平均溫度和散熱器平均壓降，并利用熱仿真軟件Icepak對理論計算結(jié)果做對比驗證，說明本文的修正合理。

3.1 海拔高度0m時的計算結(jié)果

本文模型中模塊的發(fā)熱量為248W，散熱方法是由散熱器和強(qiáng)制對流空氣進(jìn)行冷卻，海拔高度0m時的環(huán)境溫度為15 ℃，根據(jù)修正后的對流換熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式計算離開散熱器空氣的溫度Tout。下面簡單介紹計算過程。

翅片間流體的速度：

通道雷諾數(shù)：

通道努塞爾數(shù)：

可得散熱器的平均換熱系數(shù)：

散熱器的散熱面積：

A=(ntL+wtb)H=0.552 451 m2

空氣流經(jīng)散熱器出風(fēng)口的面積：

A′=(n-1)sL=6.334 5×10-3m2

本模型模塊總發(fā)熱量為248 W，根據(jù)仿真結(jié)果，散熱器表面最高溫度T0=58.3 ℃?？傻蒙崞鞒鲲L(fēng)口空氣平均溫度：

板翅式散熱器的壓降計算過程如下。

翅片系數(shù)：

進(jìn)口壓力損失系數(shù)：

Kc=0.42(1-σ2)=0.362 5

出口壓力損失系數(shù)：

Ke=(1-σ2)2=0.745

水力直徑雷諾數(shù)：

則可得表面摩擦因子：

最后得到散熱器平均壓降：

3.2 海拔高度1 000 m時的計算結(jié)果

為了研究海拔高度對變頻器散熱的影響，本文引入海拔高度參數(shù)，對對流換熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式做了修正，以使該修正方法能適用不同的散熱器模型。下面簡單介紹海拔高度1 000 m時的計算過程。

密度比修正：

η(a)=(1-2.255 77×10-5a)5.255 9

即

η(1 000)=0.887

傳熱因子修正：

即

通道雷諾數(shù)修正：

Res(1 000)=Resη(1 000)=4.93

熱交換系數(shù)修正：

14.73 W/(m2·K)

本模型模塊總發(fā)熱量為248 W，根據(jù)仿真結(jié)果，散熱器表面最高溫度T0=62.3 ℃?？傻蒙崞鞒鲲L(fēng)口空氣平均溫度：

板翅式散熱器的壓降計算過程為

水力直徑雷諾數(shù)：

fReDh=22.256

106.48

則可得表面摩擦因子：

最后得到散熱器平均壓降：

同樣的方法可得到海拔高度分別為2000m和4 000 m時散熱器出風(fēng)口空氣平均溫度和散熱器平均壓降，結(jié)果羅列于表2。

表2 理論計算與仿真計算結(jié)果對比

3.3 仿真驗證

Icepak是常用的電子電氣設(shè)備熱仿真軟件，使用Icepak可以減少熱設(shè)計成本及提高產(chǎn)品的一次成功率。為了比較海拔高度對變頻器散熱的影響，本文假定不同海拔高度處的環(huán)境溫度均為15℃。首先對海拔0 m的工況做熱仿真，圖4為散熱器基板溫度云圖。從圖4可以看出，散熱器基板上最高溫度為58.3 ℃。圖5是散熱器出風(fēng)口空氣平均溫度云圖。從圖5可以看出，離開散熱器空氣的最高溫度為53.3 ℃，最低溫度為16.0 ℃，平均溫度為43.8 ℃。根據(jù)對流換熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式計算出的溫度為45.8 ℃，理論計算結(jié)果與仿真結(jié)果相對誤差小于5%。

圖4 散熱器基板溫度云圖

圖5 散熱器出風(fēng)口空氣平均溫度云圖

圖6和圖7分別是散熱器進(jìn)、出風(fēng)口空氣平均壓強(qiáng)，由此可以計算出散熱器平均壓降。采用同樣方法，分別對海拔高度1 000 m、2 000 m、4 000 m時做熱仿真，理論計算結(jié)果、仿真結(jié)果以及相對誤差如表2所示。從表2可以看出，隨著海拔高度的增加，散熱器表面最高溫度顯著增大，散熱器出風(fēng)口空氣平均溫度顯著增大，但是散熱器平均壓降減小。這可以解釋為：隨著海拔高度的增加，風(fēng)扇工作的特性曲線發(fā)生變化，空氣密度的減小影響散熱器表面的對流換熱，使風(fēng)扇的散熱能力顯著降低。

圖6 散熱器進(jìn)風(fēng)口空氣平均壓強(qiáng)

圖7 散熱器出風(fēng)口空氣平均壓強(qiáng)

圖8是本文模型的粒子運動軌跡示意圖，從圖8可以清晰看出變頻器中的風(fēng)道是否合理。圖9是風(fēng)扇流量隨海拔高度的變化曲線，從圖9可以看出，海拔高度并不影響風(fēng)扇流量，而是影響風(fēng)扇的風(fēng)壓和空氣特性參數(shù)。

圖8 粒子運動軌跡圖

圖9 風(fēng)扇流量隨海拔高度的變化曲線

4 結(jié)束語

本文以某電梯一體化驅(qū)動控制變頻器為研究對象，對文獻(xiàn)[11]提出的板翅式散熱器對流換熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式做了修正。根據(jù)修正后的關(guān)聯(lián)式計算了散熱器出風(fēng)口空氣平均溫度和散熱器平均壓降。修正后的計算結(jié)果與仿真結(jié)果相對誤差小于5%，得到以下結(jié)論：

1)隨著海拔高度的增加，散熱器表面最高溫度顯著增大，散熱器出風(fēng)口空氣平均溫度顯著增大，即散熱器溫度顯著增大，但是散熱器平均壓降有小幅減小。

2)海拔高度并不影響風(fēng)扇流量，而是影響風(fēng)扇的風(fēng)壓和空氣特性參數(shù)。隨著海拔高度的增加，風(fēng)扇工作的特性曲線發(fā)生變化，空氣密度的減小影響散熱器表面的對流換熱，使風(fēng)扇的散熱能力顯著降低。

本文的研究內(nèi)容側(cè)重于理論分析和建模仿真，后續(xù)研究可以通過某電梯一體化驅(qū)動控制變頻器在高海拔地區(qū)的實際溫升數(shù)據(jù)修正理論分析和建模仿真。

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王 飛(1990-)，男，碩士，主要研究方向為電力電子設(shè)備熱設(shè)計。

Study on Effects of Altitude on Inverter Heat Dissipation

WANG Fei，ZHANG Liu-jun，XU Pei-pei，LI Jia-de

(R&DCenterofShanghaiStepElectricCo.,Ltd.,Shanghai201801,China)

The altitude parameters are introduced according to the air flow characteristics at high altitudes. Considering the effects of air characteristics at different altitudes on the temperature of heat sink, the correlations of the convective heat transfer coefficient of plate-fin heat sink proposed by reference[11] are corrected. The outlet average temperature and the average pressure drop of heat sink are calculated using the corrected correlations. The relative error between corrected results and simulation results is less than 5%, showing that the correction is reasonable. The results of this paper are expected to provide calculation methods and reference data for the thermal design and reliability assessment of inverters and other electrical products at high altitudes.

altitude; heat dissipation; convective heat transfer coefficient; correlations; thermal simulation

2015-11-23

TK124

A

1008-5300(2016)01-0009-07