章曉沛，王堯

（東方電氣集團(tuán)中央研究院，四川成都，611731）

250 kW儲(chǔ)能逆變器熱仿真分析研究

章曉沛，王堯

（東方電氣集團(tuán)中央研究院，四川成都，611731）

文章以250 kW儲(chǔ)能逆變器為例，對(duì)熱設(shè)計(jì)的思路進(jìn)行了論述，并詳細(xì)介紹了機(jī)柜級(jí)熱仿真分析的步驟和方法。同時(shí)，通過對(duì)熱仿真結(jié)果的分析，對(duì)進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了改進(jìn)建議。

250 kW儲(chǔ)能逆變器，熱設(shè)計(jì)，機(jī)柜級(jí)熱仿真分析

0　引言

電力電子設(shè)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(shè)備在各類惡劣環(huán)境中能最可靠、最充分地發(fā)揮設(shè)備的功能，需要對(duì)其進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)。其中，電力電氣機(jī)柜在苛刻的環(huán)境溫度下，加上設(shè)備自身的負(fù)荷大小和發(fā)熱量，對(duì)機(jī)柜的熱設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

熱設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)象的大小和復(fù)雜程度劃分為幾個(gè)層級(jí)：PCB板級(jí)熱設(shè)計(jì)、模塊級(jí)熱設(shè)計(jì)、設(shè)備級(jí)熱設(shè)計(jì)和系統(tǒng)級(jí)熱設(shè)計(jì)。電氣機(jī)柜內(nèi)部既有功率模塊，又有多個(gè)獨(dú)立的電子元器件，屬于系統(tǒng)級(jí)別。機(jī)柜級(jí)的熱設(shè)計(jì)由于機(jī)柜內(nèi)元器件眾多、布局復(fù)雜、熱源分布分散等原因，相對(duì)于模塊級(jí)和設(shè)備級(jí)熱設(shè)計(jì)更加復(fù)雜和困難。在大機(jī)柜內(nèi)，可能采用多種散熱方式，同時(shí)還要考慮不同散熱器的位置和選型。在樣機(jī)加工制造裝配完成之后，通過做實(shí)驗(yàn)的方式獲取關(guān)鍵元器件的溫度情況，若實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符合設(shè)計(jì)需求，需要重新設(shè)計(jì)的成本將會(huì)急劇增加。為了節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間和設(shè)計(jì)成本，在樣機(jī)生產(chǎn)之前對(duì)模型進(jìn)行熱仿真分析，得出柜體內(nèi)部溫度分布情況，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以大大節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間，降低生產(chǎn)成本。

本文針對(duì)東方自控研發(fā)的250 kW儲(chǔ)能逆變器，利用熱分析軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，將仿真分析結(jié)果加以綜合利用，以指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)，保證它具有好的環(huán)境適應(yīng)性和高的使用可靠性。

1　熱傳遞機(jī)理

熱能的傳遞有3種基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。

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

熱對(duì)流是指由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)而引起的流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移，冷、熱流體相互摻混所導(dǎo)致的熱量傳遞過程。熱對(duì)流僅能發(fā)生在流體中，而且由于流體中的分子同時(shí)在進(jìn)行著不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，因而熱對(duì)流必然伴隨有熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。

物體通過電磁波來傳遞能量的方式稱為輻射。物體會(huì)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(xiàn)象稱為熱輻射。

通常情況下，這3種熱傳遞方式不是完全獨(dú)立的，它們相互聯(lián)系。在機(jī)柜的散熱過程中，三者共同起作用。機(jī)柜的熱設(shè)計(jì)就是遵循以上原理，對(duì)機(jī)柜結(jié)構(gòu)、風(fēng)道設(shè)計(jì)、散熱器選型、風(fēng)扇選型等進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到對(duì)機(jī)柜內(nèi)部元器件散熱的目的。

2　三種常用的機(jī)柜熱設(shè)計(jì)方法

2.1自然冷卻

自然冷卻無需外部動(dòng)力作用，是通過熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流及熱輻射把熱量傳導(dǎo)到機(jī)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(dòng)的空氣帶走元器件上的熱量，通過機(jī)柜的通風(fēng)口來實(shí)現(xiàn)這一功能。這種散熱方式結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟(jì)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(jī)柜。

2.2強(qiáng)迫風(fēng)冷

強(qiáng)迫風(fēng)冷是利用風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)冷空氣經(jīng)過電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫冷卻，涉及到風(fēng)機(jī)的選擇和風(fēng)道的設(shè)計(jì)，是一種常用的高效的冷卻方式。風(fēng)機(jī)軸流式和離心式兩大類，在選擇風(fēng)機(jī)時(shí)需要考慮風(fēng)量的大小、風(fēng)壓的強(qiáng)度、產(chǎn)生的噪音、設(shè)備本身的自重和體積以及成本等因素。合理的風(fēng)道設(shè)計(jì)，可以降低風(fēng)道的阻力損失，方便更多的風(fēng)通過發(fā)熱量大的設(shè)備，以達(dá)到良好的散熱效果。

2.3強(qiáng)迫液冷

某些機(jī)柜在防護(hù)等級(jí)上有更高的要求，采用氣-液熱交換器進(jìn)行強(qiáng)迫液冷可以很好地避免外界空氣中的灰塵、霉菌等對(duì)機(jī)柜內(nèi)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(zhì)是液體，可以通過調(diào)節(jié)進(jìn)口液體溫度和流量，以及合理的流道設(shè)計(jì)來改變熱交換器的散熱效果。缺點(diǎn)是必須要有供液管路，加工制造成本增加。

綜合考慮項(xiàng)目實(shí)際情況，250 kW儲(chǔ)能逆變器采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱方式，根據(jù)發(fā)熱元器件的不同，采用相適應(yīng)的風(fēng)機(jī)，通過熱仿真分析，對(duì)散熱器和風(fēng)機(jī)的選型以及風(fēng)道的合理布局提供參考依據(jù)。

3　250 kW儲(chǔ)能逆變器熱設(shè)計(jì)邊界條件

明確電氣機(jī)柜的熱設(shè)計(jì)邊界條件是進(jìn)行熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提，熱設(shè)計(jì)邊界條件包括功率器件的熱損耗，電力電子設(shè)備所處的環(huán)境溫度，散熱器的相關(guān)信息等等。

東方自控自主研發(fā)的250 kW儲(chǔ)能逆變器，嚴(yán)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(qiáng)迫風(fēng)冷的方式進(jìn)行散熱，功率模塊部分選用離心風(fēng)機(jī)，整體電器柜通過后部和頂部軸流風(fēng)扇進(jìn)行散熱。根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，制定了熱設(shè)計(jì)邊界條件，詳見表1。設(shè)計(jì)要求是散熱器表面最高溫度不超過95℃。

表1　儲(chǔ)能逆變器熱設(shè)計(jì)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(duì)模型的簡化處理、參數(shù)的設(shè)置、網(wǎng)格劃分、求解前的錯(cuò)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(jié)果的準(zhǔn)確性。合理的熱仿真前處理，不僅能夠真實(shí)地反應(yīng)設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)，而且能準(zhǔn)確提取影響散熱效果的關(guān)鍵參數(shù)，在保證熱仿真結(jié)果準(zhǔn)確的前提下，結(jié)合計(jì)算機(jī)資源及時(shí)間成本，合理簡化模型，劃分網(wǎng)格。

4.1模型簡化

熱仿真分析軟件可以導(dǎo)入三維設(shè)計(jì)軟件繪制的三維模型，但詳細(xì)設(shè)計(jì)完成后的三維模型非常復(fù)雜，模型細(xì)節(jié)對(duì)熱仿真分析結(jié)果影響不大。為加快仿真速度，優(yōu)化仿真結(jié)果，對(duì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師詳細(xì)溝通設(shè)計(jì)思路，理解各零部件的設(shè)計(jì)理念，同時(shí)，結(jié)合熱設(shè)計(jì)需求，確定對(duì)散熱仿真影響較大的零部件及影響不大的零部件。

對(duì)散熱影響不大的元器件可進(jìn)行相應(yīng)的模型簡化和刪除，去除不必要的圓孔、圓角、折彎、縫隙等對(duì)網(wǎng)格劃分不利，影響仿真速度的特征。對(duì)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(dǎo)致熱仿真的嚴(yán)重錯(cuò)誤。

簡化后的功率模塊三維模型如圖1所示，簡化后的機(jī)柜三維模型如圖2所示。

圖1　功率模塊簡化模型

圖2　機(jī)柜簡化模型

4.2參數(shù)設(shè)置

將簡化后的三維模型導(dǎo)入熱仿真軟件，設(shè)置風(fēng)扇參數(shù)、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(xiàng)熱設(shè)計(jì)邊界條件。

圖3和圖4分別是軸流風(fēng)扇和離心風(fēng)機(jī)的風(fēng)扇曲線設(shè)置。

圖3　軸流風(fēng)扇的風(fēng)扇曲線

圖4　離心風(fēng)機(jī)的風(fēng)扇曲線

4.3網(wǎng)格劃分

計(jì)算機(jī)是無法直接對(duì)簡化后的三維模型進(jìn)行仿真計(jì)算的，必須對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格處理，分解為計(jì)算機(jī)可以利用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算的有限元單元。而且，簡化后的機(jī)柜模型仍然比較復(fù)雜，零件多達(dá)五百多個(gè)。在保證仿真結(jié)果準(zhǔn)確的前提下，為了加快仿真速度，需要對(duì)模型進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分，使得劃分后的網(wǎng)格能以最少的網(wǎng)格數(shù)量最準(zhǔn)確地體現(xiàn)實(shí)際模型結(jié)構(gòu)。圖5是機(jī)柜網(wǎng)格劃分的結(jié)果圖?？偟木W(wǎng)格數(shù)量是40 673 848個(gè)。

圖5　機(jī)柜網(wǎng)格劃分結(jié)果圖

4.4求解計(jì)算

邊界條件和網(wǎng)格劃分設(shè)置完成之后，設(shè)置迭代步數(shù)、重力方向等相關(guān)解決控制參數(shù)，就可以開始散熱仿真計(jì)算了。當(dāng)殘差收斂曲線完全收斂時(shí)，計(jì)算完成。

5　熱仿真計(jì)算結(jié)果分析

5.1機(jī)柜級(jí)熱仿真結(jié)果分析

熱設(shè)計(jì)工程師關(guān)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(jù)仿真結(jié)果，結(jié)合柜體整體溫度分布云圖，可以對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化。

仿真結(jié)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(shè)計(jì)要求的允許最高溫度95℃。為進(jìn)一步確定散熱要求未達(dá)標(biāo)的原因是功率模塊的離心風(fēng)機(jī)、散熱器的選型問題還是機(jī)柜內(nèi)部布局及風(fēng)道設(shè)計(jì)問題，可單獨(dú)對(duì)功率模塊進(jìn)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(dú)熱仿真結(jié)果分析

功率模塊的熱仿真步驟與機(jī)柜的熱仿真步驟相同，模型簡化、參數(shù)設(shè)置、網(wǎng)格劃分、求解計(jì)算，功率模塊單獨(dú)熱仿真結(jié)果見圖8，散熱器表面最高溫度為89.6℃。單獨(dú)的功率模塊設(shè)計(jì)滿足熱設(shè)計(jì)需求。

圖8　單獨(dú)功率模塊熱仿真分析結(jié)果

5.3熱設(shè)計(jì)優(yōu)化建議

單獨(dú)的功率模塊熱設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)需求，然而在機(jī)柜中卻不滿足，主要原因是外部進(jìn)風(fēng)經(jīng)過電抗器和變壓器后變熱，熱風(fēng)往機(jī)柜上部走，經(jīng)過功率模塊，使得在機(jī)柜中的功率模塊環(huán)境溫度遠(yuǎn)高于45℃，導(dǎo)致散熱器表面最高溫度超過設(shè)計(jì)要求。

為使機(jī)柜熱設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求，有以下兩方面的建議：

（1）合理設(shè)計(jì)風(fēng)道，將吹過電抗器和變壓器后的熱風(fēng)直接排至機(jī)柜外部，保證機(jī)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(shè)計(jì)功率模塊的離心風(fēng)機(jī)或散熱器，加強(qiáng)換熱效果，使在環(huán)境溫度高于45℃時(shí)，仍能將溫度降到95℃以下。

6　結(jié)論

本文以250 kW儲(chǔ)能逆變器為例，詳細(xì)介紹了機(jī)柜級(jí)熱仿真分析的方法。熱仿真結(jié)果顯示單獨(dú)的功率模塊工作時(shí)滿足熱設(shè)計(jì)要求，但是在機(jī)柜中整體熱仿真并不能滿足設(shè)計(jì)要求，其主要原因是在機(jī)柜中整體工作時(shí)，功率模塊的真實(shí)環(huán)境溫度遠(yuǎn)高于45℃，可根據(jù)熱設(shè)計(jì)優(yōu)化建議進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，并按照熱仿真步驟再次進(jìn)行熱仿真直至滿足設(shè)計(jì)需求。熱仿真分析有效地提高了設(shè)計(jì)效率，降低了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)與設(shè)計(jì)成本。

［1］季馨，王樹榮.電子設(shè)備震動(dòng)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012

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［3］郭勝軍，朱云霄，劉二恩.戶外機(jī)柜的熱仿真分析［J］.CAD/ CAM與制造業(yè)信息化，2010，（9），56-58

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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(xué)機(jī)械工程專業(yè)，現(xiàn)于中國東方電氣集團(tuán)有限公司中央研究院智能裝備與控制技術(shù)研究所從事機(jī)械系統(tǒng)研究工作。