電力電子裝置的多物理場的耦合模型及優(yōu)化設(shè)計分析

文/張華文

電力電子裝置的損耗情況及電磁感應(yīng)問題，是影響裝置性能的主要因素。近些年來，隨著裝置開關(guān)器件功率密度的提升，上述問題逐漸加劇。如何降低損耗、提高電力電子裝置的性能，已經(jīng)成為了電力領(lǐng)域研究的主要方向。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)顯示，建立多場耦合模型，可為電力電子裝置的優(yōu)化設(shè)計提供清晰的思路。可見，對電力電子裝置的多物理場的耦合模型及優(yōu)化設(shè)計方法加以探討較為必要。

1 電力電子裝置的多場耦合問題

多場耦合問題，屬于電力電子裝置運(yùn)行過程中存在的主要問題。指在同一系統(tǒng)中，兩個或兩個以上的場相互作用而產(chǎn)生的現(xiàn)象。電力電子裝置中存在的物理場，包括熱場、磁場及電場等多種。以熱場為例，裝置的熱阻、散熱器性能及風(fēng)機(jī)的性能，均屬于影響熱場強(qiáng)度的主要因素。為實(shí)現(xiàn)對“場”的控制，首先必須建立其數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，通過求解偏微分方程等方式，得到最終的優(yōu)化設(shè)計數(shù)值。目前來看，多場耦合問題的求解方法共包括四種，詳見表1。

2 電力電子裝置多物理場的耦合模型及優(yōu)化設(shè)計方法

本章以熱場為例，對電力電子裝置多物理場的耦合模型及優(yōu)化設(shè)計方法進(jìn)行了探討：

2.1 分析方法及流程

電力電子裝置熱分析方法見表2。

電力電子裝置熱設(shè)計流程見表3。

2.2 元件功耗

電力電子裝置元件包括變壓器及二極管等多種，以二極管為例，該元件的功耗計算公式如下：

上述公式中，VF代表導(dǎo)通壓降，VR代表關(guān)斷電壓。將各項(xiàng)數(shù)值代入至公式中，計算可得元件的各項(xiàng)參數(shù)如表4。

2.3 耦合模型的建立

2.3.1 電源結(jié)構(gòu)模型

電力電子裝置電源由逆變元件、整流元件、擋板等構(gòu)成。其中逆變元件的構(gòu)成較為復(fù)雜，包括抽風(fēng)機(jī)、IGBT模塊、電容、變壓器及散熱器等多項(xiàng)結(jié)構(gòu)。其中抽風(fēng)機(jī)的功能主要在于降溫、變壓器的功能在于調(diào)節(jié)電壓、散熱器的功能在于散熱，避免電源因過熱而出現(xiàn)故障。

2.3.2 熱阻模型

電力電子裝置熱阻計算公式如下：

公式中，R代表熱阻，A代表電流。

計算后，得到逆變部分的散熱器參數(shù)見表5。

2.3.3 風(fēng)機(jī)與散熱器模型

電力電子裝置風(fēng)機(jī)耦合模型見表6。

為確定散熱器尺寸，對之熱阻加以計算較為重要。散熱器熱阻的計算公式：

R=△t/P

公式中，R代表散熱器熱阻、△t代表元件熱度與空氣溫度的差值，P代表發(fā)熱元件的功耗指標(biāo)。將各項(xiàng)數(shù)據(jù)帶入上述公式后，即可得到最終數(shù)值。

2.4 仿真及優(yōu)化

2.4.1 仿真模型

本課題所建立的電力電子元件仿真模型，由整流橋、變壓器、電容、IGBT模塊等構(gòu)成。其中，變壓器及IGBT模塊的寬度，分別為70mm及106mm。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)要求，電力電子元件的散熱器寬度應(yīng)≥180mm，為滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，本課題決定將其尺寸確定為180mm×90mm×420mm。

2.4.2 散熱器優(yōu)化

結(jié)合耦合模型及仿真設(shè)計指標(biāo)，本課題采用FLOTHERM軟件，對散熱器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。通過對仿真設(shè)計結(jié)果的對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)散熱器寬度達(dá)到200mm時，隨寬度的增加，電力電子裝置溫度的變化幅度逐漸減小。表明，200mm為散熱器的最佳寬度指標(biāo)。

2.4.3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

為判斷上述仿真結(jié)果是否能夠達(dá)到減少裝置功耗的目的，本課題采用實(shí)驗(yàn)的方式，對元件的功耗情況進(jìn)行了觀察。實(shí)驗(yàn)中所應(yīng)用到散熱器尺寸為200mm×90mm×420mm，整流部分尺寸為180m×150mm×420mm，風(fēng)速5m/s。測量后發(fā)現(xiàn)，實(shí)測溫度與仿真溫度的誤差≤2.1。表明采用上述方法優(yōu)化，能夠達(dá)到提高電力電子裝置性能，降低其功耗的目的。

3 結(jié)論

綜上所述，針對電力電子裝置的多物理場建立耦合模型，并以之為基礎(chǔ)，對裝置元件的尺寸等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，能夠達(dá)到降低元件功耗的目的。電力領(lǐng)域可將上述方法拓展應(yīng)用到磁場以及電場等物理場的優(yōu)化設(shè)計過程中，在建立耦合模型的基礎(chǔ)上，利用偏微分方程計算相應(yīng)參數(shù)。并采用FLOTHERM軟件進(jìn)行仿真設(shè)計，得到優(yōu)化設(shè)計結(jié)果，為電力領(lǐng)域的長遠(yuǎn)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

表1：多場耦合問題的求解方法

表2：電力電子裝置熱分析方法

表3：電力電子裝置熱設(shè)計流程

表4：電力電子裝置元件功耗計算結(jié)果

表5：逆變部分的散熱器參數(shù)

表6：電力電子裝置風(fēng)機(jī)耦合模型

參考文獻(xiàn)

[1]馬瑜涵,陳佳佳,胡斯登.IGBT電力電子系統(tǒng)小時間尺度動態(tài)性能分析與計算的電磁場-電路耦合模型[J].電工技術(shù)學(xué)報,2017,32(13):14-22.

[2]齊磊,原輝,李琳.架空電力線路故障狀況下對埋地金屬管道感性耦合的傳輸線計算模型[J].電工技術(shù)學(xué)報,2013,28(06):264-270.