船用電動(dòng)起重機(jī)電氣柜散熱分析與優(yōu)化

夏 群，徐鵬遠(yuǎn)，陳雷陽(yáng)，卞曉磊

（南京中船綠洲機(jī)器有限公司，南京 211162）

0 引言

電氣柜是機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的核心裝置之一，是決定船用電動(dòng)起重系統(tǒng)性能的主要因素[1]。然而，電氣柜在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量熱損耗。由于電氣系統(tǒng)控制室的空間有限，無(wú)法為自然對(duì)流散熱提供足夠空間，導(dǎo)致電氣柜內(nèi)部和外部的溫度快速上升。因此，電氣柜散熱困難成為提高電氣系統(tǒng)性能、降低系統(tǒng)體積和重量的重要瓶頸。

采用風(fēng)扇對(duì)電氣柜內(nèi)部進(jìn)行散熱是降低電氣柜元件溫度的有效手段之一。由于電氣柜內(nèi)部元件不僅發(fā)熱總損耗較大，且熱量分布不均勻，風(fēng)扇和進(jìn)/出風(fēng)口的安裝位置與數(shù)量成為決定電氣柜溫度分布的重要因素。傳統(tǒng)電氣柜散熱風(fēng)扇選型是根據(jù)發(fā)熱量、容許溫差、空氣熱容量計(jì)算風(fēng)量需求，再結(jié)合電氣柜內(nèi)部的風(fēng)阻特性曲線，選擇合適的風(fēng)扇特性曲線，即風(fēng)量-壓力曲線。然而，一般的解析計(jì)算方法難以對(duì)風(fēng)阻進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。此外，風(fēng)阻曲線和風(fēng)量-壓力曲線僅能用于整體溫度估算，不能提供電氣柜中的高損耗元件等局部溫度信息。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文將以電氣柜系統(tǒng)中的主控制柜為研究對(duì)象，針對(duì)電氣柜的內(nèi)部元件排布、風(fēng)扇和進(jìn)/出風(fēng)口位置的選擇進(jìn)行研究，通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法，對(duì)多種方案進(jìn)行對(duì)比，以實(shí)現(xiàn)電氣柜散熱設(shè)計(jì)的優(yōu)化。

1 電氣柜散熱設(shè)計(jì)基本原理

電氣柜散熱設(shè)計(jì)主要考慮氣體流量、風(fēng)阻特性和熱源分布情況，以下將進(jìn)行具體討論。

1.1 流量對(duì)散熱的影響

電氣柜產(chǎn)生的熱量主要是由風(fēng)扇產(chǎn)生的氣流帶走的。當(dāng)流動(dòng)的空氣經(jīng)過(guò)發(fā)熱元件時(shí)，空氣會(huì)被加熱，導(dǎo)致空氣溫度上升。因此，進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口空氣的溫度差可以用于衡量氣流帶走的熱量。當(dāng)電氣柜元件溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，元件的發(fā)熱量將等于氣流吸收的熱量，其關(guān)系可用式（1）表示[2]。

式中：P為元件發(fā)熱功率（即空氣的吸熱功率），W；ΔT為進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口空氣的溫度差，K；C為空氣比熱容，J/(kg·K)；Q為空氣流量，m3/s；ρ為空氣密度，kg/m3。

式（1）假設(shè)氣流與發(fā)熱元件充分接觸，即所有氣體均流過(guò)元件表面。實(shí)際上，由于電氣柜中的元件分布在整個(gè)柜體內(nèi)，大部分元件僅能與部分氣流接觸。因此，流過(guò)每個(gè)元件的空氣流量不等于風(fēng)扇流量，各元件的散熱效果可能存在較大差異。

1.2 風(fēng)阻特性曲線的影響

電氣柜散熱風(fēng)扇的基本特性為風(fēng)量-壓力曲線，也稱(chēng)為P-Q曲線[3]。如圖1所示，風(fēng)扇的風(fēng)量與靜壓具有非線性的關(guān)系，且不同的風(fēng)扇具有不同的P-Q曲線。

盡管風(fēng)量需求能通過(guò)式（1）進(jìn)行計(jì)算，但風(fēng)扇的工作點(diǎn)是由P-Q曲線和系統(tǒng)的風(fēng)阻曲線同時(shí)決定的。如圖1所示，P-Q曲線1與風(fēng)阻曲線1和2分別相交A點(diǎn)和C點(diǎn)，P-Q曲線2與風(fēng)阻曲線1和2分別相交B點(diǎn)和D點(diǎn)。

圖1 風(fēng)扇工作點(diǎn)

由此可見(jiàn)：當(dāng)實(shí)際風(fēng)阻曲線為1時(shí)，P-Q曲線2對(duì)應(yīng)的風(fēng)扇能提供更大的風(fēng)量，散熱效果更好；當(dāng)實(shí)際風(fēng)阻曲線為2時(shí)，P-Q曲線1對(duì)應(yīng)的風(fēng)扇散熱效果更好。顯然，在給定風(fēng)扇型號(hào)的前提下，風(fēng)阻越小，風(fēng)量越大，散熱效果越好。在風(fēng)扇型號(hào)可選的情況下，電氣柜的散熱性能不僅由風(fēng)扇的風(fēng)量-壓力特性決定，而且與系統(tǒng)的風(fēng)阻特性密切相關(guān)，因此風(fēng)扇的型號(hào)需要結(jié)合系統(tǒng)風(fēng)阻特性進(jìn)行選擇。

1.3 元件安裝位置的影響

除了考慮風(fēng)扇特性曲線和電氣柜的風(fēng)阻，電氣柜的散熱設(shè)計(jì)還需要考慮氣流的路徑是否能帶走最大熱量。從原理上來(lái)說(shuō)，發(fā)熱元件安裝地點(diǎn)的變化會(huì)同時(shí)改變系統(tǒng)風(fēng)阻和經(jīng)過(guò)該元件的風(fēng)量。在保持系統(tǒng)氣流路徑基本不變的前提下，將發(fā)熱功率較高的元件安裝在風(fēng)量較高的地點(diǎn)有助于降低該元件的溫度。

圖2為電氣柜示意圖，方塊代表安裝在柜體內(nèi)部的各個(gè)元件，進(jìn)風(fēng)口在左下角，風(fēng)扇安裝在右上角，電氣柜中間有隔板和開(kāi)孔。假如將發(fā)熱量較大的元件（如變壓器）從圖2(a)中的點(diǎn)A移動(dòng)到圖2(b)的點(diǎn)B，由于變壓器擋在氣流的主要路徑上，系統(tǒng)的風(fēng)阻可能有輕微上升，但系統(tǒng)的絕大部分氣流都將經(jīng)過(guò)變壓器，可以預(yù)見(jiàn)變壓器的溫度將會(huì)下降。

當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，氣流分層平穩(wěn)流動(dòng)，雷諾系數(shù)較小，可以認(rèn)為是層流；當(dāng)風(fēng)速較高且路徑復(fù)雜時(shí)，雷諾系數(shù)較大，湍流就會(huì)出現(xiàn)。電氣柜中氣體流速一般較大，大多數(shù)情況下屬于湍流。因此，圖2中的氣流方向是對(duì)實(shí)際情況的簡(jiǎn)化，真正的氣流方向需要通過(guò)數(shù)值計(jì)算進(jìn)行分析[4-5]。

圖2 改變?cè)惭b位置對(duì)風(fēng)阻和流量的影響

2 電氣柜散熱性能的優(yōu)化

2.1 電氣柜散熱性能優(yōu)化流程

由以上討論可知，電氣柜的風(fēng)扇特性、風(fēng)阻特性和元件安裝地點(diǎn)都會(huì)對(duì)系統(tǒng)的散熱性能產(chǎn)生影響。因此，筆者提出如圖3所示的電氣柜散熱性能優(yōu)化流程。

工程內(nèi)的顯著污水排放口和雨水口分別為6個(gè)和3個(gè)，因此為了強(qiáng)化水域范圍可接受的點(diǎn)源和面源污染，于河道內(nèi)設(shè)置了35個(gè)懸浮球填料以及彈性填料而構(gòu)成的生物膜水體自?xún)艋O(shè)備，設(shè)備大小為1.0m×1.0m×1.0m的立方體，根據(jù)載體的參數(shù)和數(shù)量計(jì)算，顯示每個(gè)自?xún)艋O(shè)備的表面積均為100m2。將35個(gè)自?xún)艋O(shè)備分為20個(gè)和15個(gè)，分別放置于河道匯集面源污染的雨水入河口下游和因?yàn)楹拥罎q水而倒流進(jìn)入處，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的有效攔截降解。

圖3 氣柜散熱性能優(yōu)化流程

具體優(yōu)化過(guò)程如下：

1）按照功能要求，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際條件限制，初步設(shè)計(jì)電氣柜的尺寸和元件排布。該設(shè)計(jì)稱(chēng)為初始設(shè)計(jì)。

2）根據(jù)已知的元件尺寸、發(fā)熱功率、材料特性和風(fēng)扇特性建立初始設(shè)計(jì)的溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算模型，計(jì)算初始設(shè)計(jì)的溫度分布。

3）根據(jù)溫度計(jì)算結(jié)果，對(duì)高溫元件、風(fēng)扇和進(jìn)/出風(fēng)口的安裝地點(diǎn)坐標(biāo)、尺寸等進(jìn)行參數(shù)化。

4）采用參數(shù)掃描或者遺傳算法等優(yōu)化算法，計(jì)算電氣柜在不同設(shè)計(jì)下的溫度分布，對(duì)目標(biāo)元件的溫度進(jìn)行優(yōu)化。

5）如優(yōu)化結(jié)果可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，則優(yōu)化完成；如優(yōu)化結(jié)果仍然不滿(mǎn)足要求，則需要重新考慮風(fēng)扇的選型，并進(jìn)行新一輪的溫度場(chǎng)計(jì)算，直到滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求為止。

以下將以簡(jiǎn)化的電氣柜的散熱設(shè)計(jì)為例，驗(yàn)證所提方法的有效性。

2.2 初始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

電動(dòng)甲板起重機(jī)的電氣控制系統(tǒng)一般將主控制柜、變頻驅(qū)動(dòng)、起升電機(jī)控制、回轉(zhuǎn)電機(jī)控制等電氣功能封裝到不同的電氣柜中，并將這些電氣柜安裝到同一個(gè)電氣控制室。本文將以主控制柜為例，對(duì)電氣柜的散熱設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和優(yōu)化，但所提出的方法同樣適用于其他類(lèi)型電氣柜的散熱設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)電氣柜工作環(huán)境的溫度范圍一般在?25～45 °C。因此，下文將假設(shè)環(huán)境溫度為40 °C。

如圖4所示，本文討論的主控制電氣柜分為上、下2個(gè)部分，中間通過(guò)隔板分開(kāi)，隔板的主要目的是將強(qiáng)電部分和弱電部分分開(kāi)。電氣柜左下方為進(jìn)風(fēng)口，右上方為風(fēng)扇安裝位置。

圖4 電機(jī)柜基本結(jié)構(gòu)圖

圖5為電氣柜初始設(shè)計(jì)元件分布圖。絕大部分元件安裝于電氣柜內(nèi)部背板上，主要包括變壓器、斷路器、加熱器和熔斷器等。電氣柜上層元件的供電線經(jīng)過(guò)隔板的方形孔進(jìn)入柜體下層，再由柜體底部穿出柜外與電源連接。電氣柜中的電源線數(shù)量雖多，但發(fā)熱功率較低，對(duì)溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果的影響較小。因此，以下分析將忽略電源線。中間隔板上安裝有加熱器，當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)低時(shí)，加熱器可用于提高電氣柜溫度。

圖5 電氣柜初始設(shè)計(jì)元件分布圖

2.3 初始設(shè)計(jì)溫度場(chǎng)計(jì)算

電氣柜內(nèi)各元件的發(fā)熱功率如表1所示。

表1 電氣柜元件發(fā)熱功率

風(fēng)扇的特性曲線圖如圖6所示，溫度場(chǎng)和流速場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果如圖7所示，流速分布如圖7中箭頭所示。計(jì)算結(jié)果表明：變壓器T1的溫度高于其他元件。以變壓器的溫度優(yōu)化為例進(jìn)行討論。

圖6 電氣柜風(fēng)扇特性曲線

由圖7可知：風(fēng)扇向外排氣，氣流從左下方進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入柜體。由于流速較快，氣流進(jìn)入柜體以后部分流向隔板的開(kāi)孔，部分在下柜體內(nèi)部回旋后再通過(guò)開(kāi)孔。原設(shè)計(jì)將變壓器放置于下柜體的左上角，氣流速度和流量都很低，導(dǎo)致變壓器散熱困難。如圖7(b)所示，變壓器T1最高溫度為128.6 °C。

圖7 電氣柜初始設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果

2.4 模型參數(shù)化及高溫元件溫度優(yōu)化

上述分析可知，變壓器T1是電氣柜中的的最高溫度元件。因此，有必要對(duì)變壓器的散熱條件進(jìn)行優(yōu)化。從式（1）可知：流經(jīng)T1的空氣流量Q越大，帶走的熱量越多，變壓器溫度越低。

由圖7(a)可知：下柜體右側(cè)（由橢圓虛線圈出）的流速較快。當(dāng)截面積固定時(shí)，橢圓虛線所在點(diǎn)單位時(shí)間內(nèi)的氣流量較大。因此，為充分利用較快的流速，可將變壓器移動(dòng)到下柜體右側(cè)，并將變壓器沿垂直方向的安裝高度參數(shù)化。

以變壓器原垂直高度為參考零點(diǎn)，以向下移動(dòng)為正方向，計(jì)算變壓器垂直高度范圍在0～0.4 m的溫度變化。計(jì)算結(jié)果如圖8所示：當(dāng)變壓器往下移動(dòng)0.3 m時(shí)，變壓器的溫度下降為105 °C，與初始設(shè)計(jì)的128.6 °C相比，下降了23.6 °C。優(yōu)化后的流速場(chǎng)和溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖8 變壓器垂直高度變化時(shí)的溫度變化

圖9 優(yōu)化后的流速場(chǎng)和溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

優(yōu)化后各個(gè)元件的溫度如表2所示。

表2 優(yōu)化前后元件溫度對(duì)比

顯然，除變壓器外，絕大部分元件的溫度基本沒(méi)有發(fā)生變化，僅有斷路器1的溫度發(fā)生了明顯變化，從90 ℃下降到72 ℃。其主要原因是：優(yōu)化前斷路器1非常靠近變壓器，由于變壓器溫度較高，斷路器1受到變壓器的加熱。優(yōu)化后，斷路器1遠(yuǎn)離熱源（變壓器），且熱源溫度下降，斷路器1的溫度隨之下降。由此可見(jiàn)：在不增加成本和對(duì)其他部分進(jìn)行大改動(dòng)的情況下，通過(guò)優(yōu)化元件的安裝位置來(lái)降低高溫元件的溫度，這是可行性較高的做法。

3 結(jié)論

高效、節(jié)能是電動(dòng)起重機(jī)的主要性能指標(biāo)之一。寬敞的空間有助于電氣柜的散熱，可幫助電氣元件運(yùn)行在適當(dāng)溫度下，提高運(yùn)行效率和壽命。然而，船艙有限的空間要求電氣柜的體積必須最小化，導(dǎo)致電氣柜散熱困難。針對(duì)這一問(wèn)題，本文分析了電氣柜散熱的基本原理，給出電氣柜散熱設(shè)計(jì)的一種優(yōu)化思路。本文以簡(jiǎn)化后的控制柜為例子，采用參數(shù)化數(shù)值分析模型，計(jì)算了電氣柜的流速場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布，對(duì)高溫電氣元件的溫度進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了溫度的有效控制。本文所提出的分析方法和優(yōu)化流程可以為電動(dòng)起重機(jī)電氣系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提高提供技術(shù)支撐。