CN103970958A - 一种励磁系统自冷热管散热功率柜的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种励磁系统自冷热管散热功率柜的设计方法，其包括以下步骤：1)对比元器件参数与出厂数据，通过计算满足设计需求的各型号可控硅整流模块、散热模块及阻容吸收模块的发热功率，优选主要元器件。2)提出励磁系统自冷热管散热功率柜设计方案，搭建整柜有限元仿真模型，通过代入实际元器件数据后的仿真结果对设计方案进行优化。有效的优化和精简了励磁系统自冷热管散热功率柜的设计研制流程，节省了整柜的多方案试验经费，大大缩短了自冷热管散热功率柜的研制周期，并满足了不同环境及机组容量对功率柜的需求。

Description

一种励磁系统自冷热管散热功率柜的设计方法

技术领域

本发明属于电力系统自动化技术领域，特别是一种励磁系统自冷热管散热功率柜的设计方法。

背景技术

自冷热管散热功率柜具有低碳环保、节能减排与无尘免维护的优势，现已有一些励磁系统厂家进行研制，但是由于热管散热器结构和功率柜散热结构设计不够完善，导致在功率柜电流较高的情况下还是要依靠后备风机进行散热，并没有达到停风散热的目标。如能设计出机组正常运行中不需要开启风机的励磁功率柜，对于用户来说可以大幅减轻对励磁功率柜的维护工作，也可以增强励磁功率柜运行的可靠性。

目前自冷励磁系统的热管散热功率柜设计方法的主要依赖于试验优选方案的设计方法。试验优选方案的设计方法主要依赖工程设计人员的设计经验，提出几种基本设计方案，通过试验后的数据进行优选确定最终方案的。按照这种传统的研制模式，每套方案都需要进行热平衡试验验证热设计及设备的安装是否满足要求，试验费用高且研发周期长，不适应热管散热功率柜的用户定制投产模式。

不同环境及机组容量对自冷励磁系统的热管散热功率产品的性能需求存在差异，导致其主要元器件选型多样化，使得整体热设计与实际发热功耗发生变化。在不采用传统的试验优选方案的方法下，需要寻找一种快速有效低成本的方法来达到热管散热功率产品的器件选型及热平衡最优设计。

自冷励磁系统的热管散热功率产品提出了额定散热功耗下的温升要求，并对其最大温度进行了限制。在环境温度升高或产品过负载运行时，热保护设计的判定启动与额外散热能力需要在特定的试验环境下进行，只能委托专业试验认证机构进行。自冷励磁系统的热管散热功率产品的热保护设计是否达到要求，也需要一种易于实施的方法来进行验证。

发明内容

本发明提供一种励磁系统自冷热管散热功率柜的设计方法，能够根据性能需求提供最优选型，降低材料成本，并且减少产品设计中对多方案的试验验证的依赖，优化结构与热保护设计。

为达到上述目的，本发明励磁系统自冷热管散热功率柜的设计方法可采用如下技术方案：

一种励磁系统自冷热管散热功率柜的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1.1)、确认励磁系统自冷热管散热功率柜性能参数，包括单柜额定励磁电压电流、整流桥类型、脉冲触发方式与散热风道类型；

1.2)、依照励磁系统自冷热管散热功率柜性能要求，计算各主要元器件的最低需求参数：可控硅电气参数、阻容电气参数、快熔电气参数；

1.3)、选取符合最低需求参数要求的备选主要元器件，根据同类型主要元器件的参数及出厂数据计算柜内可控硅整流模块与阻容吸收模块的热功耗；

1.4)、比对备选主要元器件的热功耗值，优选并确认主要元器件；

2.1)、依据元器件发热特性初步拟定多个设计方案的结构制图；

2.2)、搭建各方案励磁系统自冷热管散热功率柜的有限元热分析仿真模型；

2.3)、对比相同参数下励磁系统自冷热管散热功率柜各模块仿真数据，对不同方案的各模块的温度变化趋势进行分析，选取最佳设计方案；

2.4)、根据最佳设计方案生产样柜，并对样柜进行热平衡试验，试验模拟样柜在额定与极限运行状态下的各元器件发热情况，对样柜的设计进行验证，验证样柜设计是否能满足实际运行工况的要求，记录设计技术状态下样柜内部各主要发热元器件的最低平衡温度与最高平衡温度：如果柜内发热元器件最高平衡温度在设计要求范围内，则可认定样机设计合格，可进行投产；如果柜内发热元器件最高平衡温度超出设计要求范围，则可认定样机设计不合格，需根据试验数据优化调整仿真模型，改进设计直至合格。

本发明的有益效果是：本发明通过分析自冷热管散热功率柜的需求，计算比对各发热模块热功耗，优化元器件设计选型；通过搭建多方案有限元热分析仿真模型，比对核心器件可控硅的热平衡最高温度优选设计方案；通过优选设计方案样柜实际测量数据优化调整有限元热分析仿真模型，作为后续励磁系统自冷热管散热功率柜的评价基准。这种的设计方法有效的优化和精简了励磁系统自冷热管散热功率柜的设计研制流程，节省了整柜的多方案试验经费，大大缩短了自冷热管散热功率柜的研制周期，并满足了不同环境及机组容量对功率柜的需求。

附图说明

图1为本发明的元器件优化选型流程图。

图2为本发明的搭建有限元热分析模型流程图。

具体实施方式

本实施例的励磁系统自冷热管散热功率柜的设计方法，其基于图1所示元器件优化选型与图2所示的搭建有限元热分析模型的方法而实现，所述设计方法中，有效的优化和精简了励磁系统自冷热管散热功率柜的设计研制流程，节省了整柜的多方案试验经费，大大缩短了自冷热管散热功率柜的研制周期。设计方法主要包括两个部分：

1)比对元器件参数与出厂数据，通过计算满足设计需求的各型号单组可控硅整流及散热模块和阻容吸收模块的发热功率，优选主要元器件。

2)提出励磁系统自冷热管散热功率柜设计方案，搭建整柜有限元仿真模型，通过代入实际元器件数据后的仿真结果对设计方案进行优化。

前述的励磁系统自冷热管散热功率柜的设计方法，在所述步骤1)中，具体步骤为：

1.1)确认励磁系统自冷热管散热功率柜主要性能参数，包括单柜额定励磁电压电流、整流桥类型、脉冲触发方式与散热风道类型。

1.2)依照励磁系统自冷热管散热功率柜主要性能要求，计算各主要元器件的最低需求参数：可控硅电气参数、阻容电气参数、快熔电气参数。

1.3)选取符合最低需求参数要求的备选主要元器件，根据同类型主要元器件的参数及出厂数据计算柜内可控硅整流模块与阻容吸收模块的热功耗。

1.4)比对元器件的价格及热功耗值，优选并确认主要元器件。

在所述步骤1.2)中，需考虑多路并联桥臂退出其中任意一路情况下能保证发电机最大容量励磁电流的1.1倍下连续运行时的可控硅最大通态平均电流：

$\mathrm{ITEN}=\frac{1.1\·I_{\mathrm{fm}}}{2.7206\·\mathrm{np}\min \·\mathrm{kcs}}$

其中，ITEN是可控硅最大通态平均电流，I_fm是发电机额定励磁电流，npmin是最小并联整流桥数量，kcs为均流系数(一般按最严重考虑取0.8)

在所述步骤1.3)中，需计算可控硅整流及散热模块的热功耗，并通过仿真确定阻容吸收模块发热功率：

PTEN＝PFEN+PonEN+PoffEN

其中，PTEN是单只可控硅导通的总损耗，PFEN是单只可控硅导通的通态损耗，PonEN是单只可控硅导通的开通损耗，PoffEN是单只可控硅导通的关断损耗。

$\mathrm{TjEN}=\mathrm{Tamb}+\frac{\mathrm{PTEN}}{1000}\·(\mathrm{Zth}\∞+\mathrm{Zhs})$

其中，TjEN是单只可控硅导通结温，Tamb是环境温度，Zth∞是单只可控硅稳态热阻，Zhs是散热器的稳态热阻。

前述的励磁系统自冷热管散热功率柜的设计方法，在所述步骤2)中，具体步骤为：

2.1)依据元器件发热特性初步拟定多个设计方案，并采用3D制图软件进行结构制图。

2.2)搭建各方案励磁系统自冷热管散热功率柜的有限元热分析仿真模型，仿真模型对热管内部复杂的相变过程进行了简化，结合热管的试验数据，最大程度上使仿真模型接近热管的实际特性。模型采用多面体网格及边界层，使得计算更准确，降低了对几何变形的敏感度，考虑了空气与物体表面的粘附作用，在此基础上综合考虑各元器件材质及空气的物理特性和试验数据。在仿真模型中，对设备安装接触传热系数的取值进行改进与优化，使得仿真模型符合励磁系统自冷热管散热功率柜的实际状态。另外，模型参数设置过程中，考虑了温度、气压等环境因素。

2.3)对比相同参数下励磁系统自冷热管散热功率柜各模块仿真数据，对不同方案的各模块的温度变化趋势进行分析，选取最佳设计方案。

2.4)根据最佳设计方案生产样柜，并对样柜进行热平衡试验。试验模拟样柜在额定与极限运行状态下的各元器件发热情况，对样柜的设计进行验证，验证样柜设计是否能满足实际运行工况的要求。记录设计技术状态下样柜内部各主要发热元器件的最低平衡温度与最高平衡温度：如果柜内发热元器件最高平衡温度在设计要求范围内，则可认定样机设计合格，可进行投产；如果柜内发热元器件最高平衡温度超出设计要求范围，则可认定样机设计不合格，需根据试验数据优化调整仿真模型，改进设计直至合格。试验过程中的数据需进行保存，作为后续励磁系统自冷热管散热功率柜的评价基准，并对其有限元热分析仿真模提供支撑。

在所述步骤2.2)中，各方案励磁系统自冷热管散热功率柜的有限元热分析仿真模型的建立过程是：按整柜搭建的3D模型进行多面体体网格划分，根据步骤1.3)的数据配置可控硅与电阻的标称热耗数据，按各元器件制材特性与表面状态设置热物理特性，设置各连接元器件的接触传热系数，从而建立励磁系统自冷热管散热功率柜的有限元热分析仿真模型。

在所述步骤2.3)中，通过后处理取得以下各元器件仿真数据：单只发热元器件区域的最高温度，整柜进风与出风口空气的流量，整柜热传递云图，整柜流体云图。主要以可控硅的热平衡后的最高温度为基准进行优选，选取最高温度最小的方案为最优方案。

在所述步骤2.4)中，励磁系统自冷热管散热功率柜设计合格准则：仿真模型可控硅达到热平衡后最高温度温升小于45K；样机通过常规功能形式试验，如耐压试验、小电流试验、高压小电流试验与低压大电流试验；样机测试的实际可控硅温度达到热平衡后最高温度温升数据与仿真数据比对差值小于5℃；整柜流体云图中流体流动方向应竖直向上。改进设计直至合格是指，调节发热元器件散热的位置、接触面积与接触距离，增强整个柜体热均匀分布，降低可控硅热平衡后最高温度。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神与原则之内，所作的任何修改，等同替换、改进等，均应包含在本发明保护范围内。

Claims (6)

1.一种励磁系统自冷热管散热功率柜的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1.1)、确认励磁系统自冷热管散热功率柜性能参数，包括单柜额定励磁电压电流、整流桥类型、脉冲触发方式与散热风道类型；

1.2)、依照励磁系统自冷热管散热功率柜性能要求，计算各主要元器件的最低需求参数：可控硅电气参数、阻容电气参数、快熔电气参数；

1.3)、选取符合最低需求参数要求的备选主要元器件，根据同类型主要元器件的参数及出厂数据计算柜内可控硅整流模块与阻容吸收模块的热功耗；

1.4)、比对备选主要元器件的热功耗值，优选并确认主要元器件；

2.1)、依据元器件发热特性初步拟定多个设计方案的结构制图；

2.2)、搭建各方案励磁系统自冷热管散热功率柜的有限元热分析仿真模型；

2.3)、对比相同参数下励磁系统自冷热管散热功率柜各模块仿真数据，对不同方案的各模块的温度变化趋势进行分析，选取最佳设计方案；

2.4)、根据最佳设计方案生产样柜，并对样柜进行热平衡试验，试验模拟样柜在额定与极限运行状态下的各元器件发热情况，对样柜的设计进行验证，验证样柜设计是否能满足实际运行工况的要求，记录设计技术状态下样柜内部各主要发热元器件的最低平衡温度与最高平衡温度：如果柜内发热元器件最高平衡温度在设计要求范围内，则可认定样机设计合格，可进行投产；如果柜内发热元器件最高平衡温度超出设计要求范围，则可认定样机设计不合格，需根据试验数据优化调整仿真模型，改进设计直至合格。

2.根据权利要求1所述的励磁系统自冷热管散热功率柜的设计方法，其特征在于：在所述步骤1.2)中，需考虑多路并联桥臂退出其中任意一路情况下能保证发电机最大容量励磁电流的1.1倍下连续运行时的可控硅最大通态平均电流：

$\mathrm{ITEN}=\frac{1.1\·I_{\mathrm{fm}}}{2.7206\·\mathrm{np}\min \·\mathrm{kcs}}$

其中，ITEN是可控硅最大通态平均电流，I_fm是发电机额定励磁电流，npmin是最小并联整流桥数量，kcs为均流系数。

3.根据权利要求1或2所述的励磁系统自冷热管散热功率柜的设计方法，其特征在于：需计算可控硅整流及散热模块的热功耗，并通过仿真确定阻容吸收模块发热功率：

PTEN＝PFEN+PonEN+PoffEN

其中，PTEN是单只可控硅导通的总损耗，PFEN是单只可控硅导通的通态损耗，PonEN是单只可控硅导通的开通损耗，PoffEN是单只可控硅导通的关断损耗；

$\mathrm{TjEN}=\mathrm{Tamb}+\frac{\mathrm{PTEN}}{1000}\·(\mathrm{Zth}\∞+\mathrm{Zhs})$

其中，TjEN是单只可控硅导通结温，Tamb是环境温度，Zth∞是单只可控硅稳态热阻，Zhs是散热器的稳态热阻。

4.根据权利要求3所述的励磁系统自冷热管散热功率柜的设计方法，其特征在于，包括：

在所述步骤2.2)中，各方案励磁系统自冷热管散热功率柜的有限元热分析仿真模型的建立过程是：按整柜搭建的3D模型进行多面体体网格划分，根据步骤1.3)中的数据配置可控硅与电阻的标称热耗数据，按各元器件制材特性与表面状态设置热物理特性，设置各连接元器件的接触传热系数，从而建立励磁系统自冷热管散热功率柜的有限元热分析仿真模型。

5.根据权利要求4所述的励磁系统自冷热管散热功率柜的设计方法，其特征在于，包括：

在所述步骤2.3)中，通过后处理取得以下各元器件仿真数据：单只发热元器件区域的最高温度，整柜进风与出风口空气的流量，整柜热传递云图，整柜流体云图，以可控硅的热平衡后的最高温度为基准进行优选，选取最高温度最小的方案为最优方案。

6.根据权利要求5所述的励磁系统自冷热管散热功率柜的设计方法，其特征在于，包括：

在所述步骤2.4)中，励磁系统自冷热管散热功率柜设计合格准则：仿真模型可控硅达到热平衡后最高温度温升小于45K；样机通过包括耐压试验、小电流试验、高压小电流试验与低压大电流试验在内的常规功能形式试验；样机测试的实际可控硅温度达到热平衡后最高温度温升数据与仿真数据比对差值小于5℃；整柜流体云图中流体流动方向竖直向上；改进设计直至合格是指，调节发热元器件散热的位置、接触面积与接触距离，增强整个柜体热均匀分布，降低可控硅热平衡后最高温度。