基于ANSYS Icepak 的塔基控制柜熱仿真分析

文 | 梁瑞利，肖進

塔基控制柜作為兆瓦級風電機組控制系統一個重要的組成部分，為了保證塔基控制系統安全、可靠的運行，塔基控制柜的熱設計已成為一個關注的焦點。塔基控制柜熱設計系統性能的好壞直接影響到電子元器件的工作狀態、工作性能以及工作壽命，從而影響整個風電機組控制系統的正常運行，因此塔基控制柜的熱設計與熱仿真是很有必要的。

為了對塔基控制柜散熱性能進行評價，仿真技術已成為一個不可或缺的關鍵技術，目前國內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，它們并不是根據電子設備的特點而編制的，但可用于電子設備的熱分析；第二類是專用的電子設備熱分析軟件，比如Icepak，是專門針對電子設備的特點開發的，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行仿真分析，可以指導后續的熱改進，加強柜內的散熱速度，降低柜內溫升，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構形式，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、左側板、右側板、左門板以及右門板組成，柜內結構部分由主安裝板、左安裝板、線槽、導軌、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參數化建模軟件完成了塔基控制柜模型的建立，機箱的組成如圖1所示。外形尺寸為830mm×1110mm×385mm。

塔基控制柜熱設計分析

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

在高溫、潮濕、煙霧以及灰塵等惡劣環境條件下，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，密封效果和防護等級也要達到一定的要求。

通過上述整個塔基控制柜的結構設計和布局設計來看，內部發熱電子元器件工作時產生的熱量主要是從電子元器件的表面傳遞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構件之間保持一定距離，至少是13mm，以利于增強自然對流的效果；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離發熱量大的元器件。

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12個發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為電網監視器的熱耗，8W。

柜體穩態下散熱表面的熱流密度為：

式中，A為柜體散熱總面積，經計算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

根據塔基控制柜的結構，建立熱仿真模型，首先使用ANSYS DesignModeler 模塊將由PROE導入的塔基控制柜模型進行簡化，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節，然后通過ANSYS Workbench 平臺將DesignModeler簡化后的模型導入到ANSYS Icepak中進行熱仿真。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

表2 冷卻方法的選擇標準

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

熱模型的環境溫度設為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℃；柜內為自然對流，其流態為湍流；輸入柜體、各電子元器件以及其他組件等相關的設計尺寸和材料屬性；輸入各電子元器件相應的熱耗；輸入自然冷卻換熱系數10W/m2·K（自然冷卻換熱系數經驗值）。

三、熱仿真計算結果

在環境溫度為40℃時，整個柜體達到熱穩態時的溫度分布狀態如圖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象，其最高溫度超過了模塊允許溫度，因此后續要對PLC模塊局部范圍進行熱改進，比如采用結構改進方式或強迫風冷的方式。

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行自然對流實現散熱，而且成為最主要的熱流路徑。

結論

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行熱仿真分析，最后獲得了整個塔基控制柜系統熱平衡狀態的溫度場、速度場以及各電子元器件的最高溫度。根據熱設計分析和熱仿真計算，可以得到以下結論：

塔基控制柜在自然冷卻的情況下，最高環境溫度為40℃時，塔基控制柜達到熱穩態時的熱流密度小于自然冷卻的標準值；從整個仿真分析結果來看，整個塔基控制柜主要通過柜體外壁與外部空氣進行對流換熱，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，因此后續主要是采取熱結構改進或強迫風冷的方式對頂部PLC模塊進行散熱。熱仿真分析可以為后續熱改進提供一個準確的方向，同時也為其他電子設備的熱仿真分析提供相關的參考。

攝影：王志遠