文 | 梁瑞利，肖進(jìn)

塔基控制柜作為兆瓦級風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)一個重要的組成部分，為了保證塔基控制系統(tǒng)安全、可靠的運行，塔基控制柜的熱設(shè)計已成為一個關(guān)注的焦點。塔基控制柜熱設(shè)計系統(tǒng)性能的好壞直接影響到電子元器件的工作狀態(tài)、工作性能以及工作壽命，從而影響整個風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)的正常運行，因此塔基控制柜的熱設(shè)計與熱仿真是很有必要的。

為了對塔基控制柜散熱性能進(jìn)行評價，仿真技術(shù)已成為一個不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)，目前國內(nèi)外熱分析軟件可分為兩類：第一類為一般的通用熱分析軟件，例如Flotm、Algor等，它們并不是根據(jù)電子設(shè)備的特點而編制的，但可用于電子設(shè)備的熱分析；第二類是專用的電子設(shè)備熱分析軟件，比如Icepak，是專門針對電子設(shè)備的特點開發(fā)的，具有較大的靈活性。因此，本文選用ANSYS Icepak軟件對塔基控制柜溫度場和速度場進(jìn)行仿真分析，可以指導(dǎo)后續(xù)的熱改進(jìn)，加強(qiáng)柜內(nèi)的散熱速度，降低柜內(nèi)溫升，提高塔基控制柜的可靠性。

塔基控制柜組成

塔基控制柜柜體采用焊接式結(jié)構(gòu)形式，柜體四周采用Q235B碳鋼材料，表面噴塑處理。柜體由背板、頂板、底板、左側(cè)板、右側(cè)板、左門板以及右門板組成，柜內(nèi)結(jié)構(gòu)部分由主安裝板、左安裝板、線槽、導(dǎo)軌、各種電子元器件等組成。該塔基控制柜散熱方式采用自然冷卻。

使用PROE參數(shù)化建模軟件完成了塔基控制柜模型的建立，機(jī)箱的組成如圖1所示。外形尺寸為830mm×1110mm×385mm。

塔基控制柜熱設(shè)計分析

塔基控制柜的使用環(huán)境溫度為-40℃-40℃；冷卻方式：自然冷卻。各發(fā)熱電子元器件的參數(shù)如表1所示。

在高溫、潮濕、煙霧以及灰塵等惡劣環(huán)境條件下，塔基控制柜中的金屬材料會遭到腐蝕破壞，非金屬材料也容易老化和失效，導(dǎo)致電子元器件的性能降低，影響塔基控制柜的運行，同時對柜體的電磁兼容性也有一定的相關(guān)要求，所以塔基控制柜采用四周密封的柜體，密封效果和防護(hù)等級也要達(dá)到一定的要求。

通過上述整個塔基控制柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局設(shè)計來看，內(nèi)部發(fā)熱電子元器件工作時產(chǎn)生的熱量主要是從電子元器件的表面?zhèn)鬟f到柜體四周的壁面上，柜體外壁的熱量主要通過自然對流全部散出到外部空氣中；電子元器件與四周結(jié)構(gòu)件之間保持一定距離，至少是13mm，以利于增強(qiáng)自然對流的效果；對于熱量大的元器件放置在柜體頂部，比如PLC模塊，對于熱量小的元器件放置在柜體底部；各發(fā)熱元器件要盡量做到均一分布，以免引起熱源集中；對于熱敏元器件要盡量遠(yuǎn)離發(fā)熱量大的元器件。

圖1 塔基控制柜的模型

通過計算柜體外壁與外部空氣自然對流散熱的熱流密度可以分析整個塔基控制柜的散熱情況。柜體內(nèi)12個發(fā)熱元器件的總功耗為：

式中Q1為電源模塊的熱耗，10W；Q2為處理器模塊的熱耗，11W；依此類推，Q12為電網(wǎng)監(jiān)視器的熱耗，8W。

柜體穩(wěn)態(tài)下散熱表面的熱流密度為：

式中，A為柜體散熱總面積，經(jīng)計算A＝16682 cm2。

由表2可知，φ＜0.039 W/ cm2，因此整個塔基控制柜可以考慮以自然冷卻的方式來散熱。

塔基控制柜自然冷卻的仿真計算

一、熱模型的建立

根據(jù)塔基控制柜的結(jié)構(gòu)，建立熱仿真模型，首先使用ANSYS DesignModeler 模塊將由PROE導(dǎo)入的塔基控制柜模型進(jìn)行簡化，略去螺釘、螺母、倒角、圓角、安裝孔等不影響熱流路徑的局部細(xì)節(jié)，然后通過ANSYS Workbench 平臺將DesignModeler簡化后的模型導(dǎo)入到ANSYS Icepak中進(jìn)行熱仿真。簡化后的模型如圖2所示。

圖2 塔基控制柜熱分析簡化模型

表1 電子元器件參數(shù)

表2 冷卻方法的選擇標(biāo)準(zhǔn)

圖3 柜體外壁的溫度云圖

圖4 XY切面的溫度分布云圖

圖5 電子元器件的溫度云圖

圖6 XY切面速度矢量圖

表3 PLC模塊溫度分布表

二、熱模型邊界條件的輸入

熱模型的環(huán)境溫度設(shè)為40℃；散熱方式為自然冷卻，整個塔基控制柜參與輻射換熱，輻射換熱溫度為40℃；柜內(nèi)為自然對流，其流態(tài)為湍流；輸入柜體、各電子元器件以及其他組件等相關(guān)的設(shè)計尺寸和材料屬性；輸入各電子元器件相應(yīng)的熱耗；輸入自然冷卻換熱系數(shù)10W/m2·K（自然冷卻換熱系數(shù)經(jīng)驗值）。

三、熱仿真計算結(jié)果

在環(huán)境溫度為40℃時，整個柜體達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)時的溫度分布狀態(tài)如圖3所示，柜體最高溫度為49.2℃，安裝在柜體上的觸摸式平板電腦的最高溫度為49.4℃，由溫度分布情況可知，柜體的熱源主要集中在頂板上。

圖4為XY切面的溫度分布云圖，圖5為電子元器件的溫度云圖。由圖可知，切面的最高溫度為70.1℃，柜內(nèi)熱量主要集中在PLC模塊周圍部分，PLC模塊的最高溫度如表3所示。由表3可知，PLC模塊周圍存在局部過熱現(xiàn)象，其最高溫度超過了模塊允許溫度，因此后續(xù)要對PLC模塊局部范圍進(jìn)行熱改進(jìn)，比如采用結(jié)構(gòu)改進(jìn)方式或強(qiáng)迫風(fēng)冷的方式。

圖6為XY切面速度矢量圖，由圖可知，切面上流體的最大速度為0.17m/s，可以看出整個柜體外壁的整體流速比較大，說明整個塔基控制柜主要是通過外壁與外部空氣進(jìn)行自然對流實現(xiàn)散熱，而且成為最主要的熱流路徑。

結(jié)論

通過分析整個塔基控制柜的散熱情況、計算自然冷卻條件下的熱流密度，使用ANSYS DesignModeler簡化熱仿真模型，并使用ANSYS Icepak軟件對整個塔基控制柜進(jìn)行熱仿真分析，最后獲得了整個塔基控制柜系統(tǒng)熱平衡狀態(tài)的溫度場、速度場以及各電子元器件的最高溫度。根據(jù)熱設(shè)計分析和熱仿真計算，可以得到以下結(jié)論：

塔基控制柜在自然冷卻的情況下，最高環(huán)境溫度為40℃時，塔基控制柜達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)時的熱流密度小于自然冷卻的標(biāo)準(zhǔn)值；從整個仿真分析結(jié)果來看，整個塔基控制柜主要通過柜體外壁與外部空氣進(jìn)行對流換熱，但從溫度分布情況來看，頂部PLC模塊周圍局部過熱，主要是由于熱源集中，熱量無法完全通過自然對流散出去，因此后續(xù)主要是采取熱結(jié)構(gòu)改進(jìn)或強(qiáng)迫風(fēng)冷的方式對頂部PLC模塊進(jìn)行散熱。熱仿真分析可以為后續(xù)熱改進(jìn)提供一個準(zhǔn)確的方向，同時也為其他電子設(shè)備的熱仿真分析提供相關(guān)的參考。

攝影：王志遠(yuǎn)