基于Icepak的电阻冷却方案研究.pdf

新技术新工艺 2 0 2 3年 第9期 6 2 新技术新工艺 试验与研究基于I c e p a k的电阻冷却方案研究张晓鸽1,2,陈本乾1,2,贾艳玲1,2,李 飞1,2,焦洋洋1,2(1.许继电气股份有限公司,河南 许昌 4 6 1 0 0 0;2.许继集团有限公司,河南 许昌 4 6 1 0 0 0)摘 要:电力电子设备的小型化已成为发展趋势,而设备内发热元件的散热成为了小型化发展所面临的瓶颈问题。基于柔直换流阀低压加压测试装置提出了3种冷却设计方案,详述了风机的选择方法,并应用I c e p a k软件进行热流耦合分析;通过对比单风机、双风机串联、双风机并联3种布置方案的综合热力表现,得出串联风机方案散热效果最佳的结论;最后对不同布置方式风机的综合性能进行分析,可为紧凑型电力电子设备不同散热系统风机布置方案的选择提供参考。关键词:放电电阻;冷却方案;I c e p a k;散热中图分类号:U 2 6 2.2 3 文献标志码:AR e s e a r c h o n R e s i s t a n c e C o o l i n g S c h e m e b a s e d o n I c e p a kZ HAN G X i a o g e1,2,CHE N B e n q i a n1,2,J I A Y a n l i n g1,2,L I F e i1,2,J I AO Y a n g y a n g1,2(1.X J E l e c t r i c C o.,L t d.,X u c h a n g 4 6 1 0 0 0,C h i n a;2.X J G r o u p C o r p o r a t i o n,X u c h a n g 4 6 1 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:T h e m i n i a t u r i z a t i o n o f p o w e r e l e c t r o n i c e q u i p m e n t h a s b e e n b e c o m i n g t h e t r e n d o f t h e d e v e l o p m e n t,a n d t h e h e a t d i s s i p a t i o n o f t h e h e a t i n g e l e m e n t s i n t h e e q u i p m e n t w a s t h e b o t t l e n e c k o f t h e m i n i a t u r i z a t i o n.T h r e e c o o l i n g d e s i g n s c h e m e s w e r e p r e s e n t e d b a s e d o n t h e l o w p r e s s u r e t e s t i n g d e v i c e o f t h e s o f t d i r e c t c o n v e r t e r v a l v e,a n d t h e f a n s e l e c t i o n m e t h o d w a s d e s c r i b e d i n d e t a i l s,a n d H e a t f l o w c o u p l i n g w a s a n a l y z e d b y u s i n g I c e p a k s o f t w a r e.B y c o m p a r i n g t h e c o m p r e-h e n s i v e t h e r m o d y n a m i c p e r f o r m a n c e o f t h r e e s c h e m e s i n c l u d i n g s i n g l e f a n,d o u b l e f a n i n s e r i e s a n d d o u b l e f a n i n p a r a l l e l,t h e c o n c l u s i o n t h a t t h e s e r i e s f a n s c h e m e h a d t h e b e s t c o o l i n g e f f e c t w a s d r a w n.F i n a l l y,t h e c o m p r e h e n s i v e p e r f o r m a n c e o f t h e f a n s w i t h d i f f e r e n t a r r a n g e m e n t m o d e s w a s a n a l y z e d,w h i c h p r o v i d e d r e f e r e n c e f o r t h e s e l e c t i o n o f f a n a r r a n g e m e n t s c h e m e s o f d i f f e r e n t c o o l i n g s y s t e m s o f c o m p a c t p o w e r e l e c t r o n i c e q u i p m e n t.K e y w o r d s:d i s c h a r g e r e s i s t a n c e,c o o l i n g s c h e m e,I c e p a k,h e a t d i s s i p a t i o n1 引言随着柔性直流输电技术的不断发展,柔直换流阀在实际工程中得到了广泛应用。该类型换流阀由大量的子模块级联组成,在子模块调试过程中,对子模块进行额定加压是子模块测试的重要步骤。低压加压测试装置作为实现该项测试的专用设备,在运行过程中,通常需要频繁承受短时大电流的加压和泄压,该过程产生的热量通过自然散热已无法满足其散热需求1。另外,针对其结构紧凑且散热效率要求高的设计需求,强迫风冷成为柔直换流阀低压加压测试装置散热方式之首选2-3。目前已有多位学者在电子设备强迫风冷散热方面进行了研究。文献4 针对雷达天线单元散热模块,提出了一种通过增加风机数量提升散热效果的热设计方案。文献5-7 从风机的特性曲线出发,分析了在风机串联或并联后输送系统气源的特性变化,也对不同类型风机串、并联效果进行了研究。但在紧凑型大功率电力设备强迫风冷散热方面的研究相对较少。本文基于柔直换流阀低压加压测试装置,旨在研究一种结构紧凑、散热效果良好的强迫风冷散热设计方案。首先,梳理出低压加压装置的主要发热元件,然后根据主要发热元件的热功率进行风机选型,并设计了3种散热方案,最后应用I c e p a k软件分别对3种方案进行了仿真计算与分析,最终确定了最佳方案。2 热设计过程低压加压测试装置具体热设计流程如图1所示。2.1 分析软件本文应用三维建模软件进行主要发热元件散热系统建模,并将其以s t p格式导入到AN S Y S前处理软件S p a c e c l a i m进行模型简化处理,应用I c e p a k软件进行热流耦合分析及后期数据处理。2.2 技术要求1)冷却介质:空气。2)散热方式:强迫风冷。3)主要发热元件:放电电阻(4个)。4)放电电阻外形尺寸:长宽高(3 5 0 mm1 0 7 mm5 0 mm)(见图2)。试验研究 新技术新工艺 试验与研究6 3 图1 热设计具体流程图2 放电电阻外形尺寸图(单位为mm)5)放电电阻热功率:PR1=2 0 0 W,PR2=2 0 0 W,PR3=2 0 0 W,PR4=2 0 0 W。2.3 风扇选型首先,计算散去8 0 0 W热量所需强迫对流散热风量。热平衡方程式:Q=PCp(1)式中,P为风道中元件总发热功率;Cp为空气比热,取值为1.0 0 5 k J/(k gK);为空气密度,取值为1.2 9 k g/m3;T为风道进出口温度差,此处温度差设为3 0 K。由上式计算可得:Q=0.0 2 0 4 m3/s。根据计算所需风量选择风机。此处风机选择S F 1 2 2 5 HA 2轴流风扇。该风扇P-Q曲线如图3所示。该散热方案计算所需风机流量对应该P-Q曲线上的点即为该风机的理论计算风机工作点,该工作点处于风机曲线1/32/3范围内,即该风扇选型较为合适。图3 P-Q曲线及理论风机工作点 新技术新工艺 2 0 2 3年 第9期 6 4 新技术新工艺 试验与研究2.4 风扇布置方案本文基于柔直换流阀低压加压测试装置整体设计布局,设计了3种不同风机布置方案(见图4),进行风冷系统的整体效果对比,从而选择最佳布置方案。图4 风机布置方案设计2.5 模型构建2.5.1 物理模型建立从提高散热系统的散热效率以及放热电阻的均布性考虑,将4块电阻两两对称布置于散热器上下散热表面。放热电阻工作时将热量传递至散热器表面,风机鼓风,进风口冷风进入风道,通过与散热器鳍片强迫对流换热带走电阻散发的热,从而达到冷却目的。散热器与电阻装配模型如图5所示。图5 散热器与电阻装配模型2.5.2 热力模型构建将上述物理模型保存为s t p格式,并导入 到S p a c e c l a i m中。对物理模型进行处理,去除多余或干涉的边,并将模型进行有限元C A D模型简化,以便后续导入I c e p a k软件中可正常识别。在I c e p a k软件中进行如下整体框架构建。1)建立C a b i n e t计算域,设定计算域大小为5 0 0 mm5 0 0 mm7 0 0 mm。2)设定放电电阻属性,表面设定为A l-r o u g h p l a t e-s u r f a c e,固 体 材 料 设 定 为A l u m i n u m 6 0 6 1-T 6,热源分别设定为2 0 0 W,即总放热功率为8 0 0 W。3)设 定 散 热 器 属 性,表 面 设 定 为A l-r o u g h p l a t e-s u r f a c e,固 体 材 料 设 定 为A l u m i n u m 6 0 6 1-T 6。4)为了确保3种方案流道的一致性,并参照结构参数要求,设计前后风道长度为7 5 mm,即系统风道总长为6 0 0 mm,设定P l a t e模型,将散热器进出口四周围住,模拟风道情况。5)设定环境属性为3 0 空气,打开湍流模型,设定湍流模型为Z e r o E q u a t i o n T u r b u l e n c e M o d e l。打开自然对流模型,设定重力加速度。6)上述整体框架设定完成后,分别对3种方案的进、出风口和风机P-Q曲线进行设定,并对3种方案模型进行网格划分,具体网格质量见表1。表1 3种方案模型网格质量方案最小弯曲率网格数单个风机0.2 0 4 12 5 5 2 7 7 2双风机并联0.1 7 5 42 5 0 4 0 3 7双风机串联0.2 0 4 92 5 1 7 0 4 03 仿真结果与分析3.1 温升结果与分析根据3种方案散热模型整体温升仿真结果汇总最大温升于表2,其中散热系统整体温度云图如图6所示。纵向对比3种方案最大温升可知,布置双风机串并联方案均可大幅度增强系统冷却效果。表2 3种方案最大温升表方案电阻温升/散热器温升/整体温升/单个风机3 2.0 03 1.5 83 2.0 0双风机并联2 9.1 52 8.7 22 9.1 5串联2 8.0 92 7.6 52 8.0 9 试验研究 新技术新工艺 试验与研究6 5 a)单个风机b)双风机并联c)双风机串联图6 3种方案散热模型整体温度云图3.2 风机综合性能分析3种方案下各风机的工作点见表3。表3 3种方案散热器压强表方案风机序号风量/m3s-1压力/P a单个风机F a n0.0 2 4 3 41 7.2 5 5双风机并联F a n.10.0 1 4 6 22 2.5 5 8F a n.20.0 1 3 2 62 7.4 7 5串联F a n.10.0 3 0 1 61 0.2 7 0F a n.20.0 3 0 1 61 0.2 6 7 由风机串并联特性可知,风机串联后,风量为两风机风量均值,流道压损为两风机压损之和;风机并联后,流道压损为两风机压损均值,风量为两风机风量之和。由表3可知,风机串并联后风量相对于单个风机而言均有一定的提升。对于双风机并联而言,风 量 相 对 提 高 了3.5 4 E-0 3 m3/s,上 升 了1 4.5%;对于 双 风 机 串 联 而 言,风 量 相 对 提 高 了5.8 2 E-0 3 m3/s,上升了2 3.9%,散热效率增加较为显著,可见串联风机布置方案相对于并联风机以及单个风机方案其冷却性能更为良好。假设风机串联以及并联情况下均无其他损失,根据单风机P-Q曲线绘制风机串并联P-Q理想曲线(见图7)。图7 3种方案下风机系统P-Q曲线现分别对双风机串、并联时单风机工作点进行分析。对风道进行流阻模拟,得到风道的系统流阻曲线,对比分析单风机与双风机并联情况(见图8)。图8 单风机与并联风机工作点由图8可知,系统流阻曲线与单风机、双风机并联P-Q曲线的交点即为单个风机P-Q曲线对应工作点,也即C单、C并两点。由于双风机并联P-Q曲线为拟合绘制曲线,实际双风机各单风机均按单风机P-Q点运作。而双风机并联运行时,双风机P-Q曲线压强与单风机曲线压强相等,因此沿着C并点横向做一条直线,该直线与单风机P-Q曲线交点即为双风机并联时单个风机实际工作点,记为C并_单。C并_单点横纵坐标与表3所示双风机并联时F a n.1、F a n.2风量及压强吻合,证明其模型可靠。为了进一步分析并联风机具体适用情况,虚拟出了一种比原系统流阻更高的散热系统(见图9)。假设单风机以及双风机并联均在该系统中运行,则并联风机较之于单风机有效风量增加了Q2。而在原系统中,并联风机对比于单个风机风量增长量为 新技术新工艺 2 0 2 3年 第9期 6 6 新技术新工艺 试验与研究Q1,此时Q2Q1,若进一步增加系统流阻,Q2会逐渐减小,而减小系统流阻时,Q2将逐渐增大,此时双风机并联风量将会显著增大,冷却效果大幅提高。图9 单风机与串联风机工作点单风机与双风机串联情况如图9所示。双风机串联运行时,双风机曲线流量与单风机曲线流量相等,沿着C串点纵向做一条直线,该直线与单风机P-Q曲线交点即为双风机串联时单个风机P-Q曲线对应工作点,记为C串_单。C串_单点横纵坐标与表3中双风机串联时F a n.1、F a n.2风量及压强较为吻合。同理,为了进一步分析串联风机具体适用情况,虚拟出一种比原系统流阻更高的系统(见图9)。假设单风机以及双风机串联均在该高流阻系统中运行,则串联风机风量比单风机增加了Q4。而在原系统中,串联风机风量比单个风机增加了Q3,此时Q4Q3,且该变化趋势由风机曲线趋势决定。就本风机曲线趋势而言,若进一步增加系统风阻,风量会进一步增加,而增加到单风机P-Q曲线隘口处时,Q4将逐渐降低甚至低于Q3,此时双风机串联较之于单风机收效甚微。4 结语综上所述,最终采用串联风机作为柔直换流阀低压加压测试装置的散热布置方案。该测试装置已完成样机试制、实验验证和工程推广,散热效果完全满足工程实际需求。最后归纳总结了如下几点结论和建议:1)双风机串联及并联较之于单风机散热而言,均会大幅度提升散热效率;2)双风机串联较之于并联对系统冷却效果更佳,但其优化效果较为有限;3)为进一步提升设备冷却效率,建议根据风机P-Q曲线设计合适流道。参考文献1 方玉鑫.柔性直流输电换流阀中电磁干扰建模及仿真研究D.成都:电子科技大学,2 0 2 2.2 张小军,田珂.间接强迫风冷机箱的热设计与仿真J.科技创新与应,2 0 1 2(3 2):3 9-4 0.3 林福.用于柔直换流阀例行试验的控制保护系统研制J.自动化技术与应用,2 0 2 0,3 9(6):2 7-3 2.4 刘巍,程林.风机串并联在电子设备散热中的应用研究J.空军预警学院学报,2 0 2 0,3 4(2):1 1 7-1 2 0.5 夏辉,王虎.风机的特性曲线及其串并联后的应用效果J.硫磷设计与粉体工程,2 0 2 1(1):3 1-3 4.6 李波.轴 流 风 扇 串 联 特 性 研 究 J.电 子 机 械 工 程,2 0 1 3,2 9(5):1 6-2 1.7 王凯.换流阀防火监测装置结构设计及散热性能研究J.新技术新工艺,2 0 2 1(2):6 1-6 4.作者简介:张晓鸽(1 9 8 8-),女,硕士,工程师,主要从事新能源及超高压直流输电换流阀装备产品结构及工艺设计等方面的研究。收稿日期:2 0 2 3-0 6-0 5责任编辑 郑练