三電平變頻器水冷散熱器溫度場的計算與分析

石書華, 李守法, 張海燕, 逯乾鵬, 梁安江, 李建功

(1.上海電氣電站設備有限公司發電機廠,上海200240;2.上海發電設備成套設計研究院,上海200240)

三電平靜止頻率變換裝置(SFC)是一種運行可靠、性能優良的變頻起動裝置.鑒于大功率SFC功率器件發熱比較集中的特點,在產品開發中選用水冷散熱系統.水冷散熱器的設計質量直接影響功率器件的壽命,從而影響SFC的質量和運行可靠性.對SFC功率器件的熱分析十分重要,但是準確分析功率器件的溫度分布存在很大困難:首先,功率器件的內部結構相當復雜;其次,功率器件的損耗與器件的導通規律和導通時間直接相關[1-2];再者,散熱系統的好壞決定著功率器件溫升的高低.在水冷散熱系統設計過程中,通過對功率器件水冷散熱器的熱分析可以考核功率器件的溫升.因此,水冷散熱器的設計成為SFC系統熱設計的一個重要環節.

國內外研究者針對功率器件損耗的計算分析及散熱系統的設計進行了大量工作.Mestha和Dahono等提出了一些分析兩電平逆變器通態損耗的方法[2-3];Sibylle和Lai等對級聯多電平變頻器的通態損耗進行了研究[4-5];王群京等給出了中點箝位型三電平逆變器通態損耗的一種簡單計算方法[1];張舟云等對牽引逆變器散熱系統進行了分析和設計[6];黃煒等對風冷高壓變頻器的散熱系統進行了研究[7];李偉力等從溫度場的角度對鍋爐燃燒器的水冷壁進行了熱分析[8].從查閱的文獻來看,有關高壓變頻器中功率器件水冷散熱器溫度場方面的研究還較少.

針對1臺2 MW/3.3 kV三電平SFC中的功率器件水冷散熱器,筆者建立了其溫度場的三維數學模型和有限元計算模型,計算了三電平SFC在額定負載運行時水冷散熱器的溫度場,并通過試驗驗證了該溫度場計算模型的合理性和計算結果的正確性.在該溫度場計算模型的基礎上,分析了冷卻水流量對水冷散熱器溫度場的影響,為水冷散熱器和冷卻系統的優化設計奠定了基礎.

1 水冷散熱器三維溫度場的數值計算

1.1 求解域模型的建立

以1臺2 MW/3.3 kV三電平SFC為例,其功率器件采用EUPEC FZ1200R33KF2C絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)模塊,對稱分布在水冷散熱器的兩面,水冷散熱器中間距相等的3個管道按S型聯接(圖1).水冷散熱器的基本參數見表1.

圖1 功率器件與水冷散熱器的實物圖Fig.1 Power device and water-cooled heat sink

為建立水冷散熱器的三維溫度場模型,進行以下假設和等效:

(1)功率器件的損耗全部集中在安裝基板上并且均勻分布.

表1 水冷散熱器的基本參數Tab.1 Basic parameters of the water-cooled heat sink mm

(2)忽略功率器件基板與水冷散熱器間的接觸熱阻.

(3)在設計水流量下,與水流對水冷散熱器及功率器件的對流散熱效果相比,空氣的自然散熱效果可以忽略不計.因此,在計算過程中忽略水冷散熱器和功率器件與空氣之間的熱交換.

(4)在設計水流量下,進、出水溫差較小,可以認為管道內水溫沿水流方向呈線性分布[9],從而可省略沿水流方向水的能量方程的求解,大大減少計算量;并且忽略流體在管道端部連接處的溫差.

在上述假設和等效條件下,取水冷散熱器的1/2和功率器件的銅基板作為求解域,求解域模型示于圖2,其中A1區域是管道表面,通過對流方式散熱,為第三類邊界面;其余表面是絕熱面,為第二類邊界面.

圖2 求解域模型Fig.2 Model of solving region

圖3給出了求解域的單元剖分圖.

圖3 求解域的單元剖分圖Fig.3 Mesh of solving region

求解域內三維穩態溫度場的邊值問題為[10]:

式中:T為物體的溫度,℃;Tf為冷卻水的溫度,℃;kx、ky、kz分別為物體在 x、y、z 方向的導熱系數,W/(m?K);q為熱源密度,W/m3;n為單位法向矢量;h為傳熱系數,W/(m2?K);S1、S2分別為第二類和第三類邊界面.

上述邊值問題的等價變分為:

式中:Ω為求解域.

當泛函取極值,即?J/?T=0時,可知:

式中:T為求解域內全部節點溫度所形成的溫度矩陣;K為總體系數矩陣;F為總體右端列矢量.

將邊界條件代入上式,最終得到一個線性方程組,解此方程組即可得到各個節點的溫度值.

1.2 流體傳熱系數的確定

管道中流體傳熱系數的確定對求解水冷散熱器溫度場至關重要.傳熱系數根據以下方法求取[11].

假設管子內表面為光滑圓柱面,則冷卻水通道的雷諾數可表示為:

式中:Red為雷諾數;ρ為流體的密度,kg/m3;u為流體的流速,m/s;d為管道的直徑;μ為流體的動力黏度,kg/ms.

(1)對于紊流,努塞爾數可按下式求取:

式中:Nud為努塞爾數;Pr為普朗特數.

(2)對于層流,努塞爾數可按下式求取:

式中:L為管道長度,m.

流體的傳熱系數為:

式中:λ為流體的導熱系數,W/(m?K).

1.3 熱源的確定

在三電平中點箝位型SFC中,功率器件的熱量主要是由IGBT、反并聯二極管以及箝位二極管在周期性地經歷各種狀態時所產生的.通常,反并聯的快恢復二極管的截止損耗和通態損耗在總功耗中所占的比例較小[1],在水冷散熱器的設計中可以忽略不計.IGBT模塊的總功耗 P可近似認為是其通態損耗Pfw、開通損耗Pon和關斷損耗 Poff之和,即:

IGBT模塊的開通損耗和關斷損耗可根據使用器件的參數曲線計算得到,其通態損耗 Pfw以及箝位二極管損耗的計算可參閱文獻[1].

在求解水冷散熱器的溫度場時,將功率器件的損耗以熱流密度的方式施加到散熱器的有限元求解模型中,作為溫度場計算的熱源.

2 水冷散熱器的溫升試驗

對三電平SFC的水冷散熱器進行了溫升試驗.根據1.3節中所確定的功率器件的發熱功率,用鋁殼電阻產生等值發熱功率來加熱水冷散熱器,以模擬功率器件的發熱效果.圖4為水冷散熱器和鋁殼電阻的實物圖.用流量計測量水流量的大小;用溫度計測量水的進、出口溫度;用PT100鉑電阻測量散熱器表面的溫度,測量位置見圖5.其中,PT100鉑電阻的放置點A、D均為水冷散熱器的端部(鋁殼電阻放置的一端),B為水冷散熱器的中部,C為水冷散熱器的另一端.

圖4 水冷散熱器和鋁殼電阻實物圖Fig.4 Water-cooled heat sink and aluminum case resistor

圖5 水冷散熱器溫度的測量位置Fig.5 Positions of temperature probes

3 結果與分析

在三電平SFC額定負載運行時功率器件熱損耗準確計算的基礎上,將熱源代入溫度場求解程序計算水冷散熱器的穩態溫度分布,結果示于圖6和圖7.為了與試驗條件基本相符,在設計水流量下,進、出水溫差為5 K,計算中取水冷散熱器的進口水溫為28℃.

從圖6可以看出,與功率器件相接觸的水冷散熱器表面溫度最高;散熱器距功率器件越遠,其表面溫度越低.從圖7可以看出,沿管道方向散熱器溫度分布并非完全左右對稱,進水口處散熱器表面的溫度略低于出水口處散熱器表面的溫度.這是因為雖然沿管道方向熱源分布是完全左右對稱的,但由于散熱器中的3個管道是按S型聯接的以及假設條件(4),使得求解域的邊界條件沿水流方向是變化的.

圖6 求解域的溫度分布Fig.6 Temperature distribution of solving region

圖7 水冷散熱器的溫度分布Fig.7 Temperature distribution of the water-cooled heat sink

各測量點溫度的計算值和測量值的比較見表2.從表2中可以看出,各點的計算值和測量值能較好地吻合,滿足工程計算精度,但計算值略高于測量值,這主要是由于:①求解域中沒有包括散熱器管道的端部連接件,使得管道有效長度減小,散熱效果變差;②忽略了水冷散熱器表面與空氣的熱交換.

表2 不同測點溫度計算值與測量值的比較Tab.2 Comparisons of the calculated values with the measured values at different positions ℃

4 流量對水冷散熱器溫度場的影響

保持發熱功率恒定不變,分別取流量為設計流量的k倍,分析管道中冷卻水流量對水冷散熱器溫度分布的影響.圖8給出了不同流量時水冷散熱器的溫度場(俯視圖).為便于比較分析,計算中取水冷散熱器進口水溫為28℃,出口水溫按SFC發熱強度除以冷卻水流量與水的比熱容之積計算得到.

圖8 不同流量下水冷散熱器的溫度場Fig.8 Thermal fields of water-cooled heat sink at different flows

由圖8可以看出,流量大小沒有改變水冷散熱器的溫度分布趨勢,即水冷散熱器的最高溫度和最低溫度的位置沒有發生改變.隨著流量的增加,水冷散熱器的最高溫度和最低溫度都有所降低,最低溫度的變化幅度較小,而最高溫度的變化幅度則比較明顯.

圖9給出了水冷散熱器最高溫度隨流量的變化曲線.當實際流量大于設計流量時,隨著流量的增加,水冷散熱器最高溫度逐漸降低,但溫度降低幅度逐漸減小并趨于平緩;當實際流量小于設計流量時,隨著流量的減小,水冷散熱器最高溫度顯著升高,且溫度升高幅度越來越大.在流量為0.6倍設計流量時,水冷散熱器的最高溫升已經不符合最高溫升25 K的設計要求.

圖9 流量對水冷散熱器最高溫度的影響Fig.9 Influence of flow on the maximum temperature of water-cooled heat sink

5 結 論

(1)求解水冷散熱器溫度場時,在冷卻水溫升較小的情況下,管道內水溫沿水流方向呈線性分布的假設是合理的,計算結果與測量值相吻合.

(2)通過計算水冷散熱器表面溫升來估算功率器件的溫升,從而解決了直接求取功率器件溫升的難點.

(3)冷卻水流量對水冷散熱器的溫度分布影響顯著,通過合理設計流量可以滿足水冷散熱器溫升的設計要求.

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