高壓軟啟動反并聯模塊的輕量化設計

鄧 超 ，郭金童 ，曾文彬 ，董 超 ，陳本龍 ，孫文偉 ，趙 耿

（株洲中車時代半導體有限公司，湖南 株洲 421001）

0 引言

高壓軟啟動裝置在電機啟動或停車時，能通過改變電機上的電源電壓使其逐漸加速或減速，以降低啟動電流與啟動轉矩，從而實現電機平滑啟動或停車，減少對電網的沖擊以及對設備的傷害[1]。高壓軟啟動模塊為高壓軟啟動裝置的重要組成部分，一般為反并聯的結構，不同的散熱器及壓裝結構對其散熱有較大的影響[2]。

本文按照電機的實際工況對標準結構的反并聯模塊進行了仿真計算，討論了該結構應用于此工況存在的不足，提出了改進方案并證明了方案的可行性。

1 熱學結構改善

1.1 標準結構型材散熱器熱仿真

基于標準化型材散熱器壓裝的高壓軟啟動模塊，其結構形式如圖1所示。一個模塊壓裝兩只反并聯的元件，每只元件均以兩根壓桿施加壓力。

圖1 標準反并聯結構模型

由于模塊中的晶閘管元件為反并聯形式，兩只元件交替工作，故晶閘管的功耗一直都在發(fā)生變化。為減少仿真計算量，將正弦波在一個周期內的發(fā)熱量平均至一個周期作為平均功率，可按照以下公式計算[3]：

式中，VTM表示通態(tài)峰值電壓，Ⅴ；VTO表示門檻電壓，Ⅴ；IAV表示平均電流，A。

按照上述公式，可得單只KPX 1300-65元件的功率為1 195 W。將以上模型導入熱仿真軟件，設置各材料的物性參數[4]。前30 s內，兩只元件給定的功率均為1 195 W，其余時間為自然冷卻狀態(tài)，可得整個組件在30 s時的溫度分布云圖，如圖2所示。此時，高溫區(qū)域多分布于與元件臺面直接接觸的部分，包括散熱器基板和豎直排列的翅片，而兩側用于外接電路的斜翅片則對短時散熱未起到多大作用。

圖2 標準反并聯結構30 s溫度分布云圖

1.2 改進結構型材散熱器熱仿真

標準型材散熱器有翅片數量少、間距寬的特點，通?？捎糜陂L期通流的工況。而高壓軟啟動具有短時、間歇啟動的特點，元件在工作時間內產生的熱損耗無法快速地擴散出去。因此，有必要去掉斜翅片，同時增加豎直翅片的數量，使其更多地分布于對稱軸的位置。為了達到最佳的散熱效果，其翅片厚度由基板向上逐漸減少，同時，翅片上還可布置波浪紋以增大散熱面積[5]。

改進后的結構如圖3所示，模塊采用單面絕緣的方式，壓桿數量由兩根增加至四根，每根螺桿使用一個絕緣套杯，以包裹平墊圈和錐形墊圈。兩散熱器在長度方向錯位，以增大電氣間隙，同時，兩只上散熱器變?yōu)橐恢簧仙崞?，無需增加額外的連接排。

圖3 改進后的結構模型

將以上模型導入熱仿真軟件，可得到改進后的模塊30 s溫度分布云圖，如圖4所示。由圖4可知，采用該結構形式的散熱器之后，在30 s時，散熱器上的溫度分布更均勻，表示溫度能夠有效地傳導至散熱器的基座和翅片。同時，與下散熱器相比，上散熱器的翅片會更分布于元件臺面周圍，因此溫度分布更為均勻，翅片的利用率更高。

圖4 改進后的模塊30 s溫度分布云圖

將改進前、后模型的結溫放到對數坐標圖中進行對比，如圖5所示。由圖5可知，在給定功耗的前30 s內，改進后的結溫明顯更低；但在通流結束后的30 s～60 s內，改進前的結溫下降速率更大；至1 h時，改進前的結溫基本能夠恢復至室溫，而改進后的結溫溫升仍有7 ℃。這是因為改進后的散熱器整體體積減小，熱容量也相應地降低，而在自然冷卻的條件下，元件在短時間內更多地依靠散熱器的大熱容吸熱來降低整體模塊的平均溫度[6]，因而散熱器體積越大，在該時間段內的溫度下降得也越快。

2 力學結構改善

2.1 有限元仿真分析

采用改進的結構后，由于上散熱器變?yōu)橐粋€整體，兩只元件厚度的差異可能影響整體的壓裝均勻性。故本文提出在兩個臺面的中間切割一道槽，既能保證散熱器的連接通流，又能保證壓力的均勻，割槽后剩余的截面積須滿足上散熱器通流所需的最小面積。

分別對上散熱器為連體結構以及切槽結構使用靜力學軟件進行仿真。元件與散熱器接觸的臺面采用庫倫摩擦模型，摩擦系數取0.1；固定下散熱器的連接孔，對上散熱器每根螺桿的位置施加的力為12.5 kN。

切槽模塊整體形變云圖如圖6所示，可見：上散熱器較下散熱器的形變更大，這和翅片的布置有很大的關系。翅片在提供散熱的同時也充當了加強筋的作用，下散熱器的翅片分布在整個臺面，可抑制臺面在長度方向上的形變；而上散熱器的翅片集中分布在臺面中央，對臺面周邊形變的抑制作用較弱。因此，在仿真和試驗時，元件上臺面的壓力均勻性可能會更差，應加強關注。

元件上臺面的壓力分布云圖如圖7所示。其中，圖7（a）對應連體結構，圖7（b）對應切槽結構。由圖7可知，連體結構在靠近模塊中心位置時，元件所受的壓力較小，壓力較小的區(qū)域呈現出橢球狀，表明其存在較為嚴重的壓力不均勻問題；而切槽結構的壓力均勻性得到了明顯改善。

圖7 元件上臺面應力分布云圖

2.2 壓力均勻性試驗

功率模塊一般采用力矩緊固，而螺栓材質、潤滑介質及用量等因素均會影響螺紋摩擦系數[7-10]，因此，在做壓力均勻性試驗前，有必要確定壓力與力矩的對應關系。采用FUJIFILM（富士）低壓型號感壓紙作為壓力顯色試紙，放置在元件上下臺面，按照試驗得到的力矩值加力，可得到如圖8所示的結果。由圖8可知，壓敏試紙顯色區(qū)域呈均勻紅色，表明元件臺面受力均勻，滿足使用要求。

圖8 元件臺面壓力均勻性試驗結果

3 結論

本文建立了高壓軟啟動模塊的熱學和力學仿真模型，按照實際工況進行了熱仿真，并且針對軟啟動工況的特點提出了模塊小型化的改進建議，通過進一步的仿真和試驗驗證了該方案的正確性和可行性。得到以下結論：1）直肋散熱器更適宜于1 min以內的短時工況，針對通流時間較長的工況，該結構的熱容較小，并不具備優(yōu)勢。2）將上散熱器兩只元件之間割一道槽，可以有效地減少上散熱器臺面之間的粘連，從而得到更為均勻的壓裝效果。