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內燃機車空調電源的散熱結構優化設計與熱分析

作者:黃小娟,王曉麗, 葉 娜時間:2019-12-26來源:電子產品世界收藏

  黃小娟,王曉麗,葉?娜(中國中車永濟電機有限公司,陜西?西安?710000)

本文引用地址:http://www.opuaih.live/article/201912/408681.htm

  摘?要:簡介了內燃機車空調電源的總體結構,對模型中的及影響散熱的主要因素進行分析。通過對散熱器設計及發熱元器件布局進行設計,最終確定空調變頻器最優的總體模型,并利用典型的軟件Icepak對其結構模型進行、驗證。

  關鍵詞:

  0 引言

  隨著電力電子技術的快速發展,系統的高可靠性、設備的小型化需求成為發展趨勢。電子設備的功率密度不斷加大,集成度也不斷提高,可靠性將面臨嚴峻的挑戰。如果電子設備不合理,運行時可能導致溫度過高、失效率增加、最終使設備性能下降,甚至造成故障。因此,電子設備的熱設計是影響系統可靠性的一個重要組成部分。

  本文以某內燃機車空調電源為例,提出基于熱分析的電源結構設計的方法。首先對進行重點分析,分析元器件的布局與安裝、散熱通道設計等對散熱效果有影響的問題;然后對最優的電源結構設計做熱仿真分析,從而驗證了該結構設計的可靠性。

  1 內燃機車空調電源的總體結構

  機車司機室電氣柜內采用DC 74 V供電,空調機組均為AC 220 V交流電機,為滿足空調機組的用電需要,內燃機車空調電源將DC 74 V變換為AC 220 V供空調機組使用。本設計采用對直流輸入電壓先進行Boost升壓再逆變的控制方案。先將DC 74 V升壓為DC 500V,再通過三相橋逆變電路將直流電逆變為三相交流電AC 220 V,為空調機組提供電源。

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  由圖1可知,空調電源系統的主電路包括直流斬波升壓和逆變兩個部分:斬波升壓電路所用的部件由升壓電感、斬波用IGBT、升壓電容、電壓傳感器構成;三相橋式逆變電路中主開關器件采用高性能IGBT、電容和電感組成的LC濾波電路。

  該空調電源箱體中,所有的電子元器件都要消耗電能,其中一部分電能轉化為熱能。如果對系統中所有發熱的元器件都進行熱分析,既復雜又困難、也沒有必要。因此只需考慮該系統中的主要發熱元器件(如:IGBT模塊、電感、電容等),并借助ANSYS熱分析對系統中的主要發熱元器件進行分析,簡化模型中將不考慮其他的發熱元器件 [3] 。通過周密的計算和參數的選擇,電源箱體中主要的發熱元器件在滿負載運行時的功率損耗如表1所示,該空調電源的工作條件如表2所示。

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  本設計的主要發熱元器件有八個,其中一對電感、電容是用在Boost升壓電路中;一對電感、電容是用在DC—AC變換器中組成的LC濾波電路;另外還有一個斬波用的IGBT模塊和逆變系統中組成三相橋式逆變電路所用的三個IGBT模塊。

  為了配合內燃機車上空調機組的用電所需,則該空調電源的裝配方式以及外形尺寸已然確定。因此,我們將在現有的空間尺寸內對各個元器件進行合理布局,并用ANSYS軟件進行熱分析,以得出最優的結構設計,確保該電源能夠正常工作。

  2 散熱的影響因素分析及設計應用

  由于箱體的散熱方式采用強制風冷散熱,且散熱器設計采用鋁材質。則影響散熱的主要因素有:散熱器設計、發熱元器件的布局、通風道設計等 [2] 。下面將對這些影響因素進行逐一分析,從而得出最優的結構布局。

  2.1 散熱器的設計及影響分析

  在空調電源的基本結構體積、各元器件的功耗確定的前提下,在結構設計中,結合箱體、電容、電感、風扇等其他元器件的外形尺寸、體積大小、布線等因素的綜合考慮后,最終確定了散熱器的最大允許空間尺寸為:345 mm × 300 mm × 100 mm (長 × 寬 × 高),材料選定為鋁材(比銅輕且價格便宜)。

  散熱器的熱阻除了與材料有關,也與形狀、尺寸及安裝方式等因素有關。散熱器設計中所涉及的幾何參數主要有肋片厚度、肋片間距、肋片高度、肋片數量、基座的尺寸等 [4] 。本文分別對以上因素對散熱效果的影響做了仿真分析。散熱器的示意圖如圖2所示,其基本尺寸數值見表3。

  2.1.1 肋片參數的影響分析

  假設該散熱器水平面上放置有3個,材質為銅,三個熱源之間間距均為39 mm,功耗均為500 W,風量設定為205 cfm,環境溫度20 ℃。由于該電源箱體中受到整體結構的限制,所以肋片的總體尺寸、基座和肋片高的尺寸不會有大的變化,這些尺寸是一定的。

  尺寸一定的條件下,肋片的厚度、數量、間距3個參數之間相互影響。其中一個參數不變時,本文對其他兩個參數的變化趨勢進行分析和研究。在強制風冷的散熱方式下分別用ANSYS做熱分析仿真,則分析的結果如下表4所示。

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  從表4的分析結果可以得出以下結論:

  1) 在固定的散熱器空間下,當肋片數量一定時,肋片的厚度不斷增加,肋片間距減小,散熱溫度隨著先降低后升高(總體變化趨勢呈現升高趨勢),這說明在一定的尺寸和肋片數下,肋片厚度應盡量薄,且存在一個最佳值 [5] 。如圖3所示為散熱器溫度隨肋片厚度變化曲線圖。

  2)在固定的散熱器空間下,當肋片的厚度一定時,隨著肋片間距的增加,肋片數量不斷減少,散熱器的溫度也隨著降低,但是下降到一定程度時,溫度反而升高。這是因為隨著間距的增加,肋片數量不斷減少,從而引起散熱面積的下降,所以溫度升高,它們之間起著相互制約的作用 [1] 。如圖4所示,為散熱器溫度隨肋片間距變化曲線圖。

  3)由圖4可知,隨著肋片厚度的增加,無論肋片間距的變化,散熱器的整體溫度都在升高。由于考慮到加工能力的限制,因此不考慮肋片厚度為1 mm的情況。

  從上述分析結果可知,該電源最優的散熱器設計可采用:肋片厚度為2 mm,肋片間距2 mm,肋片數量73的肋片結構。圖5所示為肋片厚度2 mm的散熱分析溫度圖。

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  2.2 IGBT在散熱器表面的布局影響分析

  發熱元器件的合理安排和布局是散熱設計的重要內容,在進行該項工作前,應根據電子設備中每個元器件發熱情況,合理的安排各元器件位置,以防熱量的積蓄。

  根據現有的研究成果,在電子設備中,如果兩個元器件在一塊安裝板上水平方向放置,則元器件之間應在空間允許的情況下適當增大安裝間距,元器件的溫度才會隨之降低 [1]

  3.2.1 熱源的分布影響分析

  在散熱器基板尺寸(340 mm × 295 mm × 10mm)、材料(鋁材)、環境溫度(20 ℃)和總熱量不變的情況下,考慮到箱體整體布局及布線等因素的影響,熱源的布局設計有下面兩種情況,如圖6所示。

  注:為分析熱源布局的最優設計,假定元器件V 1 為500 W;V 2 均為350 W,環境和風量一定。

  本文對上述兩種熱源布局分別做了熱仿真分析,布局方式1溫度為71.16 ℃,布局方式2溫度為61.14 ℃。具體散熱溫度分布圖如下圖7所示。

  從分析結果可以看出,布局方式2的散熱效果最好,可見功耗大的元器件應距入風口較近,熱源最好是分散布局,有利于各個位置的溫度均衡,減小相互之間的散熱影響。

  3 空調電源總體結構設計模型

  在原有內燃機車KACINV6型EMD空調電源的機械結構的基礎上,根據電源裝置的安放空間,結合電磁干擾、散熱和后期的安裝工藝等因素,最終,空調電源的總體最優結構模型如圖8所示。

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  在列車運行過程中,YGN2QI01型空調電源需裝在司機室,且在持續工作時將會產生很大熱量,僅靠自然通風是不能滿足散熱的需求,所以在機械結構設計中,我們采用強迫風冷的通風散熱方式,從兩個側面進行排風,吸入的空氣順著風道掃過Boost電抗器、Boost輸出電容、三相逆變、LC濾波電抗器和LC濾波電容,然后從另一側排出,從而保證了該電源裝置能夠長時間工作。主接觸器、繼電器、EMC等低壓電器和控制板置于箱體的前半部分。風扇由三相逆變后提供的三相220 V/ (30 Hz、60 Hz、45 Hz)電源。

  三相逆變IGBT與Boost輸出電容間采用低感復合母排連接,使IGBT高速開關造成的過電壓達到最小,IGBT安全工作區擴大,使用壽命延長。

  4 結構設計的熱仿真分析

  本設計采用ANSYS Workbench有限元軟件進行分析,在不影響熱特性和計算精度的前提下,在DesignModeler下對其進行簡化處理,并導入Icepak進行參數設置及網格劃分,最后進行熱特性分析。圖9所示為網格圖。

  根據設定的工況對模型進行計算,仿真結果如圖10所示。由于IGBT模塊是箱體中最主要的熱源,斬波模塊IGBT芯片功耗最大,為45 W。由圖10可看出,該模型的最高溫度也反映在斬波用IGBT芯片上,它的溫度為73.961 ℃。該三維模型的最高溫度在合理的區間內,綜上所述,所設計的機車空調電源布局及熱特性均滿足上述工況。

  參考文獻

  [1] 呂冰. 典型電源設備的熱設計分析與研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2008.

  [2] 王麗.大功率電子設備結構熱設計研究[J].專題技術與工程應用,2009,(1):61-64.

  [3] 張鋒.基于ANSYS的DC/DC電源模塊熱分析和熱設計研究[D].重慶:重慶大學,2008.

  [4] 楊育良.大功率器件的散熱系統設計與研究[D].北京:華北電力大學,2012.

  [5] 趙惇殳.電子設備熱設計.北京:電子工業出版社,2009.

  本文來源于科技期刊《電子產品世界》2020年第01期第64頁,歡迎您寫論文時引用,并注明出處。



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