安裝于集裝箱中的SVG散熱系統分析與改進

殷 炯，師蒙招，王玉斌，孫 林，張 祥

● （株洲南車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲412001）

安裝于集裝箱中的SVG散熱系統分析與改進

殷 炯，師蒙招，王玉斌，孫 林，張 祥

● （株洲南車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲412001）

根據柜體的結構布置和功率模塊的損耗，對安裝在集裝箱中的10KV/5MW的SVG散熱系統進行了分析。利用ICEPAK分析軟件對SVG柜體的通風散熱過程進行了模擬仿真分析。結果表明，原散熱系統方案不能滿足 SVG運行的需要。根據存在的問題，提出了更換風機型號和改進風道等改進措施，以滿足SVG的散熱要求。

SVG；散熱系統；有限元仿真

0 引言

SVG(Static Var Generator )靜止無功發生器是當今無功補償領域的新技術應用的代表，屬于靈活柔性交流輸電系統(FACTS)的重要組成部分。SVG的基本原理是利用可關斷大功率電力電子器件(如IGBT)組成自換相橋式電路，經過電抗器或者直接并聯于電網上中，相當于一個可變的無功電流源。通過調節逆變器交流側輸出電壓幅值和相位，或者直接控制其交流側電流的幅值和相位，迅速吸收或者發出所需要的無功功率，自動補償電網系統所需的無功功率，對電網無功功率實現動態無級補償。

近年來，隨大功率電力電子技術的快速發展和國家節能降耗政策的推廣，SVG的應用越來越廣泛。SVG中使用的可關斷大功率電力電子器件(如 IGBT)工作時會產生功率損耗，所損耗的功率要通過發熱形式耗散出去。若設備的散熱能力有限，則功率的損耗就會造成器件內部芯片有源區溫度上升及結溫升高，使得器件可靠性降低，無法安全正常工作。SVG散熱系統設計的好壞，直接影響到SVG能否穩定可靠的長時間工作。參考文獻的研究對象主要是大功率元器件或功率模塊，本文將以 10KV/5MW SVG為例，對SVG設備的散熱系統進行分析，并提出相應的改進措施。

1 SVG散熱系統

為了保證SVG設備長期安全可靠的工作和運輸方便，設備柜放置在一個尺寸為8000mm×3600mm×3500mm 的電力工程特種集裝箱中。SVG設備主要由啟動柜、功率柜和控制柜組成，啟動柜和控制柜損耗較小，不予考慮，主要分析功率柜的散熱。SVG功率柜散熱系統采用強迫風冷進行散熱，前門進風，后頂部出風的方案。柜體的前、后部分用擋風隔板分開，置于柜體后頂部的離心風機迫使氣流從集裝箱進風口、功率柜前門濾網進入的進入柜體內，穿過IGBT功率模塊的散熱器并發生熱交換，帶走IGBT元件損耗產生的熱量，然后經三聯和二聯風道、出風口排出集裝箱。

SVG設備在后頂部布置了5臺RMA 450D4.138B-2FT的帶安裝支架外轉子無蝸殼風機進行通風散熱，額定風量為4000m3/h，其性能參數和壓力-流量曲線分別如表1和圖1所示。

表1 RMA 450D4.138B-2FT風機的基本性能參數

SVG設備在現有的散熱系統下工作過程中出現超溫故障，說明其散熱效果不佳，IGBT結溫過高，需要重新對散熱情況進行核算。

2 散熱風量的核算

2.1 模塊所需風量的計算

SVG設備主要的發熱元件是功率模塊中的可關斷大功率電力電子器件(如IGBT)。以SVG項目為例，該設備功率模塊為SVG600，每個模塊主要發熱元件是4個型號為FZ600R17KE的IGBT元件和1個放電電阻，每個IGBT元件損耗功率約為428W，放電電阻發熱量約為200W，則功率模塊總損耗為 1912W，系統設置的允許最高工作溫度85℃。

Icepak是一款常用的傳熱、流體CAE仿真軟件，采用的是 FLUENT計算流體力學(CFD)求解器，能夠完成靈活的網格劃分，可利用非結構化網格求解復雜幾何問題。將環境溫度設為40℃，對SVG600功率模塊施加不同進風口風速的條件下，通過Icepak軟件對功率模塊的熱傳導進行模擬仿真 ，可得到不同進口風速條件下散熱器背面 IGBT的溫度云圖和流經散熱器翅片風速分布圖。

從圖2、3可知，要想IGBT元件穩定可靠的長期工作，功率模塊散熱器風道進風口的平均風速最低不能小于3m/s，同時流經散熱器翅片的風速最低不低于6.5m/s。功率模塊散熱器風道的尺寸為268mm×132mm，這樣功率模塊所需最低冷卻風量為：

圖2 不同進口風速IGBT的溫度云圖(℃)

圖3 不同進口風速下流經散熱器翅片風速分布圖(m/s)

2.2 所需總風量的計算

10KV/5MW SVG共33個SVG600功率模塊，則設備所需總風量為：

考慮到模塊通風的不均勻和余量。取一個安全系數為1.5～2，則實際所需風量為：

SVG采用5臺風機進行通風散熱，總額定風量為20000m3/h，勉強能滿足總通風量的要求，但是安全系數較小，不一定能保證散熱效果，需要進行進一步的研究分析。

3 散熱仿真分析

通過有限元軟件Icepak對其進行數值模擬分析，簡化了分析過程，而且可以得到準確直觀的溫度、流體分布情況。icepak的后處理器可查看SVG柜體內流體、溫度和風機工作點等參數的分布情況。

3.1 流體分布

從圖4所示的流體分布圖可知，柜體內通過功率模塊內部散熱器翅片的風速約為6m/s，小于功率模塊內部散熱器風道要求的最低風速6.5m/s，不能滿足功率模塊IGBT元件散熱要求。

圖4 流體速度分布場

3.2 溫度分布

Icepak可以使用后處理器中的cut查看柜體截面的溫度場分布情況，如圖5所示。在環境溫度設置為40℃時，柜體內部的溫度均在53℃以下，溫升不超過15℃。

圖5 柜體切面溫度云圖

3.3 風機工作點

打開下拉菜單中Report中的Fan operating points，可以查看每個風機的工作狀況，即風機的實際壓頭壓力和輸出風量，見表2。

表2 風機實際工作情況

4 試驗結果比較

為驗證設計的散熱系統以及選擇的風機是否滿足散熱的基木要求，同時檢驗仿真分析結果的可信度，使用風速儀對圖6所示柜體出風口流體速度進行實地測量，并與仿真結果進行比較。實測數據與明仿真結果誤差在合理的范圍區域內結果見表3，仿真結果具有較高的可信度。

圖6 出風口測量點示意圖

表3 出風口實測風速與仿真結果對比

5 改進措施

通過前面的分析我們知道，原設計方案風機之間布置過緊，同時采用的是二聯和三聯風道，風機之間可能相互干涉，在風道內形成渦流，增加了風道的壓力損失，造成風機實際輸出風量不足，不能很好滿足散熱要求。

為解決原設計方案存在的問題，加大總通風量，將5臺RMA 450D4.138B-2FT風機改為3臺RAM 560D.155B-3KT風機，并且每臺風機采用獨立風道，額定總風量為24000 m3/h，能夠滿足SVG散熱總風量的要求。其性能參數和壓力-流量曲線分別如表4和圖7所示。根據新散熱系統建立仿真模型，同樣使用Icepak對通風散熱過程進行模擬分析，求得新方案的通風散熱情況。

表4 RAM 560D.155B-3KT風機基本性能參數

圖7 RAM 560D.155B-3KT風機P-Q曲線

5.1 流體分布

從圖8所示的流體分布圖可知，柜體內通過功率模塊內部散熱器翅片的風速約為7m/s以上，滿足功率模塊內部散熱器風道要求的風速，能夠滿足功率模塊IGBT元件散熱要求。

5.2 溫度分布

如圖9所示，在環境溫度設置為40℃時，柜體內部的溫度均在50℃以下，溫升不超過15℃。

5.3 風機工作點

從表5可看出，風機工作點在合理工作區域內，實際輸出風量大于散熱所需風量，能夠滿足SVG的通風散熱要求。

圖8 流體速度分布場

圖9 柜體切面溫度云圖

表5 風機實際工作情況

6 結論

安裝在集裝箱中的10KV/5MW的SVG在工作過程中經常出現超溫警報，說明通風散熱不良。通過仿真軟件對設備在箱變中的通風散熱過程進行數值模擬，原有散熱方案實際通風量過小，不能滿足散熱要求。實測出風口速度數據與仿真數據的誤差在合理范圍，這個結果說明仿真數據可信度較高。通過更改原設計方案中的風機型號和風道的改進措施，加大實際通風，新的散熱系統能滿足散熱要求。

[1]張健,呂長志.基于ANSYS的IGBT熱模擬與分析[J].微電子學, 2011, 41(1): 139-142.

[2]張忠海.電子設備中高功率器件的強迫風冷散熱設計[J].電子機械工程, 2005, 21(3): 19-21.

[3]陳國強,朱敏波.電子設備強迫風冷散熱特性測試與數值仿真[J].計算機輔助工程, 2008, 17(2): 24-26.

[4]陳潔茹,朱敏波.ICEPAK在電子設備熱設計中的應用[J].電子機械工程, 2005 (1): 14-16.

[5]榮智林,吳舒辭. ICEPAK在三相PWM變流器模塊散熱分析中的應用[J].機電產品開發與創新, 2007,20(6): 61-63.

[6]杜 毅,廖美英.逆變器中 IGBT模塊的損耗計算及其散熱系統設計[J].電氣傳動自動化, 2011, 33(1):42-46.

[7]丁杰,李江紅.流動狀態與熱源簡化對IGBT水冷板仿真 的影響 [J].機車電傳動, 2011(5): 21-25.

[8]王經.熱傳學與流體力學基礎 [M].上海:上海交通大學出版社, 2007.

Thermal System Analysis and Improvement of SVG Installed In Container

YIN Jiong, SHI Meng-zhao, WANG Yu-bin, SUN Lin, ZHANG Xiang
(Zhuzhou CSR Times Electric Co., Ltd., Zhuzhou 412001, China)

According to SVG cabinet structure layout and power modules losses on SVG, the thermal system of 10KV/5MW SVG installed in the container is studied.The heat dissipation process of SVG cabinet is simulated by using finite element analysis software ICEPAK, and the simulation results show that the thermal system cannot meet the requirement of heat dissipation.According, which can the existing problems, some improved measures like modifying the blowers model and improving the air duct are proposed to meet the requirement of heat dissipation.

SVG; thermal system; finite element simulation

TM46

A

殷炯（1978-），男，碩士，工程師，從事變流產品的結構和熱仿真研究。