CN106992447A

CN106992447A - 一种海岛大功率特种电源柜

Info

Publication number: CN106992447A
Application number: CN201710030691.3A
Authority: CN
Inventors: 罗安; 何志兴; 黄旭程; 徐千鸣; 陈燕东; 戴瑜兴; 刘舒怡; 岳雨霏
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2017-01-17
Filing date: 2017-01-17
Publication date: 2017-07-28

Abstract

本发明公开了一种海岛大功率特种电源柜，包括安装在室内的柜体；所述柜体内设置有大功率特种电源系统；所述柜体底部与送风通道连通；所述送风通道与设置在室外的风机出风口连通。本发明可以将新风集中，由管道集中送入海岛大功率特种电源柜体中，同时热空气可以通过散热腔从柜体顶部通风网孔流出，使得柜体内部不会造成热量积累和温度超标；排出的热空气被吸入排风机中，送出室外完成热循环；风机置于室外可以减少噪声和便于采集新风；整个系统散热良好，气流设计合理，风机效率高，能耗低。

Description

一种海岛大功率特种电源柜

技术领域

本发明涉及散热系统，特别是一种海岛大功率特种电源柜。

背景技术

海岛由于其地理上的特殊性，一般通过海底电缆与大电网相连接，而离岸较远的海岛只能使用柴油发电机或者新能源供电。大功率特种电源系统是发电装置与负载之间的电能传输的重要组成部分，因此海岛上的大功率电源系统要求更高的可靠性。

大功率特种电源系统一般含有大功率电力电子器件IGBT，IGBT会大量发热，若不能提供良好的散热条件，将影响IGBT的寿命且影响IGBT的稳定运行，因此保证散热良好是维持大功率电源系统正常工作的重要条件，需要对其散热方案进行合理设计。在大功率电源系统机房中，常常采用空调制冷的方法来进行散热，而精密空调机组能耗相对较高，且还会出现气流组织不合理，而出现局部热点等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种海岛大功率特种电源柜。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种海岛大功率特种电源柜，包括安装在室内的柜体；所述柜体内设置有大功率特种电源系统；所述柜体底部与送风通道连通；所述送风通道与设置在室外的风机出风口连通；所述柜体顶部与排风系统连通。

所述风机的集风口的入口处安装有盐雾过滤器；所述排风系统包括设置在所述柜体上方的排风口、与所述排风口连通的排风扇、与所述排风扇出风口连通的排风管道；所述排风管道的出风口设置在室外；所述柜体顶部设有通风网孔；所述柜体底部设置在防静电地板上；所述防静电地板通过支架与地面固定连接；所述送风通道设置在所述防静电地板和地面之间；所述大功率特种电源系统的热管散热器设置在柜体内距地面45cm高的支架上；所述热管散热器包括多根热管；所述多根叶片通过多块散热叶片连接；所述热管受热侧与散热基板连接；所述热管受热侧(前端)与散热基板连接；所述热管放热侧高于前端，且与水平面的夹角为5°；所述散热叶片与水平面垂直；所述散热基板上固定有IGBT模块。

所述热管散热器表面温度T_S、热管散热器到大气间的热阻R_s-a、特种电源总功率损耗P_loss的关系为：T_S＝R_s-aP_loss+T_a；T_a为环境温度。根据装置结构，热阻R_s-a的计算公式为：式中，k为热管散热器导热率，单位为W/(cm·℃)；d为热管散热器基板厚度，单位为cm；S为热管散热器有效散热面积，单位为cm²；C₁为热管散热器表面状况和安装状态的系数，热管散热器水平安装时的散热效果；C₂为强迫风冷条件下热管散热器相对热阻系数；C₃为空气换热系数。

所述IGBT模块中每个桥臂的功率损耗P_tot计算公式为：P_tot＝P_SS+P_SW+P_DC+P_rr；其中，P_rr＝0.125I_rrt_rrU_CE(pk)f_SW；E_SW(on)为IGBT在峰值电流I_CP和温度125℃时每脉冲产生的导通损耗；E_SW(off)为IGBT在峰值电流I_CP和温度125℃时每脉冲产生的关断损耗；f_SW为PWM开关频率；I_CP为特种电源输入正弦波电流的峰值；U_CE(SAT)为IGBT在峰值电流I_CP和温度125℃时的导通压降；D为PWM占空比；θ为特种电源输入电压和输入电流之间的相角；U_EC为IGBT反并联二极管在二极管峰值电流I_EP时的导通压降；I_rr为二极管恢复电流峰值；t_rr为二极管恢复时间；U_CE(pk)为二极管恢复电压值。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明可以将新风集中，由管道集中送入海岛大功率特种电源柜体中，同时热空气可以通过散热腔从柜体顶部流出，使得柜体内部不会造成热量积累和温度超标；排出的热空气被吸入排风机中，送出室外完成热循环；风机置于室外可以减少噪声和便于采集新风；整个系统散热良好，气流设计合理，风机效率高，能耗低。

附图说明

图1为散热系统热阻等效电路图；

图2为本发明海岛大功率特种电源散热系统的较佳实施方式的示意图；

图3为本发明海岛大功率特种电源柜立面图；

图4为热管散热器使用方式图；

图5为热管散热器前视图；

图6为海岛大功率特种电源柜顶部通风网孔图。

具体实施方式

根据负载情况求取功率器件的损耗，并求取散热器热阻，然后通过热阻等效电路求解散热器与功率器件各点的温度。将散热系统的损耗功率等效为电流源，热阻产生的温差等效为电压，热阻等效为电阻。

如图1所示为散热系统热阻等效电路图，T_c为IGBT壳管温度，T_S为散热器基板表面温度，T_a为环境温度。R_c-a为壳管到大气间的热阻，R_c-s为壳管到散热器的热阻。R_c-a相对于R_c-s和R_s-a数值很大，因此与R_c-s和R_s-a并联时可以忽略。散热器表面温度、散热器到大气间的热阻R_s-a、损耗P_loss三者的关系为

T_S＝R_s-aP_loss+T_a

以功率器件采用英飞凌公司生产的对管IGBT模块FF300R12ME4的100kW大功率特种电源系统为实施例，模块内部包括2个集成了反并联二极管的IGBT单元。三相全桥特种电源的功率损耗可以由6个IGBT模块的损耗相加得到，现对相关物理量名称做如下定义：

E_SW(on)为IGBT在峰值电流I_CP和温度125℃时每脉冲产生的导通损耗；E_SW(off)为IGBT在峰值电流I_CP和温度125℃时每脉冲产生的关断损耗；f_SW为PWM开关频率；I_CP为输出正弦波电流的峰值；U_CE(SAT)为IGBT在峰值电流I_CP和温度125℃时的导通压降；U_EC为IGBT反并联二极管在二极管峰值电流I_EP时的导通压降；D为PWM占空比；θ为输出电压和输出电流之间的相角；I_rr为二极管恢复电流峰值；t_rr为二极管恢复时间；U_CE(pk)为二极管恢复电压值。

IGBT模块用于电源系统中，在PWM调制下IGBT的电流及占空比经常变换，使得功耗估算变得很困难，这里必须考虑变频器输出电压基波与占空比之间的关系以及输出电压基波与输出电流之间的关系。按照这种模式来计算，可以保证计算得到的损耗结果在各种PWM调制方式下均适用。

单只IGBT的损耗计算公式如下：

(1)每个IGBT的平均通态损耗P_SS为：

式中cosθ为功率因数。

(2)每个IGBT的平均开关损耗P_SW为：

(3)每个IGBT的总损耗P_Q为：

P_Q＝P_SS+P_SW

单只反并联二极管的损耗计算公式如下：

(1)每个反并联二极管的通态损耗P_DC为：

(2)每个反并联二极管的开关损耗P_rr为：

P_rr＝0.125I_rrt_rrU_CE(pk)f_SW

则每个桥臂的功率损耗P_tot为：

P_tot＝P_Q+P_D＝P_SS+P_SW+P_DC+P_rr

对于实施例100kW的海岛大功率特种电源系统，计算可以得到：

(1)每个IGBT的平均通态损耗为：

由I_CP＝215A，U_CE(SAT)＝1.4V，cosθ＝0.98，计算可得：

其中M为PWM的调制度(相电压峰值除以1/2直流侧电容电压)。M取0.889。

(2)每个IGBT的平均开关损耗为：

根据技术手册可知，(E_SW(on)+E_SW(off))在电流有效值为152A的情况下约为80mJ，开关频率f_SW为10kHz，则：

(3)反并联续流二极管的平均通态损耗为：

由IEP＝141A，UEC＝1.3V，cosθ＝0.98，D＝0.93，计算可得

(4)根据相关资料可知反并联续流二极管的平均开关损耗P_rr约为22W：

综上，海岛大功率特种电源系统IGBT功耗为P_loss＝[(67.4+254.7+8+22)*6]W＝2112.6W。

采用强制风冷散热，其散热设计的步骤如下。

海岛大功率特种电源系统在稳态下，散热风机需要从散热器带走的热量为

Q＝WC_p△T_A

W＝Fρ

式中：

Q—排出稳定系统的总热量(cal/s)；

W—气流重量流量(g/s)；

C_P—空气比热(C_p＝0.24cal/g·℃)；

ΔT_A—系统内温度与环境温度之差(℃)；

F—空气流量(cm³/s)；

ρ—空气密度(g/cm³)；

风机系统采用1台内径26cm，外径32cm，筒高17.3cm，材质为玻璃钢的轴流风机。轴流风机流量为1800m³/h，即500000cm³/s。送风管道置于防静电地板下，送风管道截面为矩形结构，长为60cm，宽为25cm，此时对应风速约为3.33m/s，可以满足设计要求。玻璃钢材质的轴流风机可以有效抵御海岛上的盐雾腐蚀。风机系统集风口处装有盐雾过滤器，滤除盐雾颗粒，减少盐雾对电气设备的影响。集风口截面与水平面垂直。可以减少雨水或大颗粒尘埃在盐雾过滤器上的残留。

假设变频器运行环境温度为30℃，则排出系统的空气温升不应超过30℃，那么空气密度参数选取60℃时ρ＝0.00106g/cm³，则风机的气流重量为W＝Fρ＝530g/s。据此可得系统内温度与环境温度差：

可以根据上述计算，需要选择合适的散热器才能实现热量的散出。本发明选用的热管散热器自然冷却时的热阻R_s-a约为0.027℃/W。

根据装置结构，热阻R_s-a的计算公式为：风速大于3m/s时，依据热阻R_s-a的计算公式，热管散热器导热率k为43.8W/(cm·℃)；d为2.4cm；S约为10000cm²；散热器水平安装，C₁为0.5；轴流风机风速约为3.33m/s，取系数C₂为0.5；空气流场以层流为主，取系数C₃为0.15。散热器热阻R_s-a约为0.014℃/W。

取环境温度为30℃，根据热阻等效电路，可得IGBT散热基板表面温度为：

T_S＝R_s-aP_loss+T_a＝60℃

综上可知，为了保证排出系统的空气温升不应超过30℃，IGBT壳管温度不超过100℃，轴流风机的风量不应小于250m³/h且散热器热阻不应大于0.033℃/W。为满足裕量，本发明的风机系统和海岛大功率特种电源柜内结构布局及散热器的选用满足散热要求。

如图2所示，为本发明的剖面结构示意图。海岛大功率特种电源散热系统包含：大功率特种电源柜体(4)，风机系统(1)、排风系统(5)、换气扇(6)。其中柜体内的大功率特种电源系统主要由0.6mH输出滤波电抗、并网电阻、热管散热器、IGBT、直流侧电容、直流电源、控制板组成。风机系统包含集风口(11)、轴流风机(12)和送风管道(13)，其中集风口和轴流风机置于室外。排风系统包含排风口(51)、排风扇(52)和排风管道(53)。机柜中的大功率特种电源系统含有金属散热器和大型滤波电感，所以相对较重，可以固定于角钢支架(2)上。防静电地板(3)也用角钢支架固定，防静电地板距地面高度为0.3m，送风管道(13)从防静电地板下穿过，向机柜送风。

排风系统用于将大功率特种电源柜的热量排出室外，可以选用风量为980m³/h，内径为30mm的排风扇，排风扇置于排风口内，排出的热空气经排风管道送出室外。

换气扇安装于距离地面3m高的墙上，起到维持空气流通，保证室内室外气压平衡的作用。换气扇也装设有盐雾过滤器。

如图3所示，为本发明的海岛大功率特种电源柜立面图。大功率特种电源柜体(4)高为2.2m，长和宽都为0.8m。柜体内包括大功率特种电源系统(41)、热管散热器(42)、散热腔(43)和通风网孔(44)，如图6所示。

如图4所示，为本发明热管散热器使用方式图。如图5所示为热管散热器前视图。热管散热器(42)置于柜体内据地面45cm高的支架上，热管散热器的散热基板与IGBT散热基板紧贴，与水平面垂直；热管散热器上装有2根热管；热管散热器的热管上装有散热叶片，热管一端与散热基板连接，热管另一端高于与散热器相接的一端，热管与水平面的夹角为5°；散热叶片与水平面垂直。送风管道出风口采用矩形结构，长为60cm，宽为35cm，正对热管散热器，可以起到较佳效果。该设计便于新风将散热器上的热量带走。

散热过程如下：

首先风机系统由轴流风机产生新风，通过送风管道向大功率特种电源机柜输送新风，新风直接送入柜体中，吹走大功率特种电源系统和散热器上的热量，再从柜体上方通风孔排出，热空气再进入排风系统排风口，依靠排风扇和排风管道与将热风送出室外，带走海岛大功率特种电源系统产生的热量，并完成机房内的通风换气。整体气流流向如图2中箭头所示。

利用防静电地板与支架形成风道，节省了房间内的空间，减少了房间内噪音，同时大大提升了风机系统的效率，同时加速了大功率特种电源机柜的散热。

Claims

1.一种海岛大功率特种电源柜，包括安装在室内的柜体(4)；所述柜体(4)内设置有大功率特种电源系统(41)；其特征在于，所述柜体(4)底部与送风通道(13)连通；所述送风通道(13)与设置在室外的风机(12)出风口连通；所述柜体(4)顶部与排风系统(5)连通。

2.根据权利要求1所述的海岛大功率特种电源柜，其特征在于，所述风机(12)的集风口(11)的入口处安装有盐雾过滤器(14)。

3.根据权利要求1所述的海岛大功率特种电源柜，其特征在于，所述排风系统(5)包括设置在所述柜体(4)上方的排风口(51)、与所述排风口(51)连通的排风扇(51)、与所述排风扇(52)出风口连通的排风管道(53)；所述排风管道(53)的出风口设置在室外。

4.根据权利要求1～3之一所述的海岛大功率特种电源柜，其特征在于，所述柜体(4)顶部设有通风网孔(44)。

5.根据权利要求1～3之一所述的海岛大功率特种电源柜，其特征在于，所述柜体(4)底部设置在防静电地板(3)上；所述防静电地板(3)通过支架(2)与地面固定连接；所述送风通道(13)设置在所述防静电地板(3)和地面之间。

6.根据权利要求1所述的海岛大功率特种电源柜，其特征在于，所述大功率特种电源系统(41)的热管散热器(42)设置在柜体内距地面45cm高的支架上。

7.根据权利要求6所述的海岛大功率特种电源柜，其特征在于，所述热管散热器(42)包括多根热管(422)；所述多根叶热管(422)通过多块散热叶片(423)连接；所述热管(422)受热侧与散热基板(421)连接；所述热管(422)放热侧高于受热侧，且与水平面的夹角为5°；所述散热叶片(423)与水平面垂直。

8.根据权利要求7所述的海岛大功率特种电源柜，其特征在于，所述散热基板(421)上固定有IGBT模块(424)。

9.根据权利要求8所述的海岛大功率特种电源柜，其特征在于，所述热管散热器(42)表面温度T_S、热管散热器(42)到大气间的热阻R_s-a、特种电源系统总功率损耗P_loss的关系为：T_S＝R_s-aP_loss+T_a；T_a为环境温度，热阻R_s-a的计算公式为：

式中，k为热管散热器导热率，单位为W/(cm·℃)；d为热管散热器基板厚度，单位为cm；S为热管散热器有效散热面积，单位为cm²；C₁为热管散热器表面状况和安装状态的系数；C₂为强迫风冷条件下热管散热器相对热阻系数；C₃为空气换热系数。

10.根据权利要求6～9之一所述的海岛大功率特种电源柜，其特征在于，所述IGBT模块(424)中每个桥臂的功率损耗P_tot计算公式为：P_tot＝P_SS+P_SW+P_DC+P_rr；其中， P_rr＝0.125I_rrt_rrU_CE(pk)f_SW；E_SW(on)为IGBT在峰值电流I_CP和温度125℃时每脉冲产生的导通损耗；E_SW(off)为IGBT在峰值电流I_CP和温度125℃时每脉冲产生的关断损耗；f_SW为PWM开关频率；I_CP为特种电源系统输入正弦波电流的峰值；U_CE(SAT)为IGBT在峰值电流I_CP和温度125℃时的导通压降；D为PWM占空比；θ为特种电源系统输入电压和输入电流之间的相角；U_EC为IGBT反并联二极管在二极管峰值电流I_EP时的导通压降；I_rr为二极管恢复电流峰值；t_rr为二极管恢复时间；U_CE(pk)为二极管恢复电压值。