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直流融冰装置风冷散热器优化设计

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0引言

直流融冰装置能够有效消除附着在电网输变电设备上的冰雪,因而能够较大程度地避免冰雪灾害对电网带来的重大损失。

直流融冰的基本原理是将系统的交流电转化为直流电,然后利用直流电对输电线路进行加热来融化冰雪。

晶闸管是直流融冰装置的关键部件之一,晶闸管作为一种大功率的半导体元器件,在工作时会因电流通过而发热,若温度过高,超过一定阈值,会导致晶闸管的性能下降,甚至烧毁。为了保证融冰装置的稳定运行,晶闸管的温度不能超过阈值,因此设计有效的散热器是保证直流融冰装置稳定运行的关键。

晶闸管主要的冷却方式有水冷和风冷,水冷散热效果好,但需购置水冷设备,占地面积大,并且水冷直流融冰装置内部水管与线路交错复杂,不便于维护与检修。本文优化设计的对象是某工程融冰装置晶闸管风冷散热器,与水冷相比,风冷装置更节省占地,维护更加简便,并且没有漏水的风险。

1晶闸管传热原理

晶闸管在运行时,通态时的功率损耗导致晶闸管内部P-N结处产生大量的热量,为了使晶闸管迅速降温,通常在晶闸管两侧压装风冷散热器,如图1

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热量首先由晶闸管内部的P-N(j)导至管(c),其热阻表Rjc,然后热量(c)导至风冷散热器(h),其热Rch,后热量风冷散热器(h)导至周围的空气(a),其热Rha。由于晶闸管管壳传给周围空气的热量相对较,因此不考虑它们的热,,整个热传导过程R:

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,单位摄氏每瓦(/W)

本文通过优化风冷散热器的结构来降Rha,提高晶闸管的散热性能。

2有限元仿真分析

2.1风冷散热器结构

晶闸管和风冷散热器是通过工装装在一,于工装的限,度方250mm距离,需要预留检修空间,因此定风冷散热器的度为200mm。本工程是动融冰装置,融冰装置是置在,因此高度方有限,风冷散热的高度为105mm,度方向由于风结构的约束,风冷散热器的定为180mm。散热器在装置仅需要为晶闸管散热,需要为结构提供强,承受装置的较高压,散热器材质兼顾散热效率和结构度的工业铝材6063。风冷散热器的结构如图2

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散热器中间道间隔布翅片,可以增大散热面积,高风冷的散热效果。

2.2边界条件与网格划分

本文利用有限元ANSYSIcepak模块来对风冷散热器进行仿真计。首先将风冷散热器模型入到ANSYS,建立合适的流体,如图3。为使有限元模型实际情况尽可能相同,设计的流体计算域最外侧实线所包裹长方体区域,算域X度为200mm,Y度为105mm,Z度为380mm

根据本工程参数设置边界条,单个晶闸管的发热功率为2200W,于是双侧散热,因此单侧发热功率为1100W。进风温度按照环境温度设定为20℃,风速为6.5m/s

3,1表进风,并设置Z的风速为6.5m/s,温度为20℃;2,参数默认;34模拟晶闸管发热面设定的直110mm的面热,它们的发热功率1100W

边界条创建好之后进行网格划分。本文用的网格类型面体占优网,模型的网格划分结果如图4

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划分后,获得了532072个网格单元和557172个网格节点,图中所示网格质量的面对齐率为0.95,远大于通常面对齐率一般要求的0.15,网格质量较好,可以进行下一步计算。

2.3散热器温升仿真计算

边界条件和网格划分完成后,进入计算步骤,通过迭代计算,当计算结果收敛时,获得风冷散热器的温度场,如图5所示。

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通过温度云图可以看出,晶闸管与风冷散热器接触面处的温度最高达到90.3℃,超出晶闸管的结温阈值85℃较多,在此条件下长期运行,装置会有风险,故需要对风冷散热器的设计进行优化。

3改进方案

3.1风冷散热器结构优化

风冷散热器的整体尺寸不能变化太大,因此在不改变风冷散热器整体尺寸的条件下,在盖板内设置了热管来提高风冷散热器的散热性能。优化后的风冷散热器如图6所示。

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3.2优化后散热器温升仿真

根据上文所述的散热器仿真边界条件,对优化后的风冷散热器进行仿真计算,得到散热器温度云图,如图7所示。

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从图7可以看出,进风温度按照环境温度设定为20℃,速为6.5m/s,风冷散热器工作时的表面最高温度为80.9℃,未超过晶闸管结温阈值。

3.3温升试验

对优化后的风冷散热器进行了样品试制,并开展了温升试验,试验平台如图8所示。

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测试时在距离散热器出风口30mm处设置了风速仪,采用加热管来模拟晶闸管发热,为了更好地达到均温的目的,使用5根加热管,发热面积与晶闸管相同,单面发热功率1100W。散热器底板开槽,将感温线埋于底板内,并确认探点与铝板接触良好。

测试环境温度为32℃,试验数据如图9所示,风速为6.5m/s的时候散热器表面的最高温度为89.7℃,此时散热器表面最高温度与环境温度的温差为57.7℃,3.2节仿真结果与环境温度的温差约60.9℃,误差为5.3%,考虑到仿真与试验的条件存在偏差,本文认为误差在可接受的范围内,因此优化后的风冷散热器在散热性能方面满足设计要求。

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4结语

本文根据某工程直流融冰装置晶闸管的散热需求,对风冷散热器进行了初步设计和温升仿真计算,针对仿真结果不满足设计要求的情况,对散热器进行了结构性能上的优化,并通过样品试制验证了优化后风冷散热器的散热性能,最终设计出满足该融冰装置的散热器。

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标签: 导热散热 点击: 评论:

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