CN111103319B - 一种导热硅脂和散热风扇的健康状态监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种导热硅脂和散热风扇的健康状态监测方法，先根据器件、导热硅脂、散热器和散热风扇的物理连接结构，建立二阶等效考尔热网络模型；再利用各阶热参数之间的数量级差异，建立热网络时间常数和热网络模型中各阶参数之间的映射关系；从而获取导热硅脂和散热风扇健康状态的时间常数，并基于时间常数对导热硅脂和散热风扇的健康状态进行监测。本发明可以同时监测导热硅脂和散热风扇的老化程度，且无需测量加热损耗，降低了硬件的成本以及操作的复杂性。

Description

一种导热硅脂和散热风扇的健康状态监测方法
技术领域
本发明涉及一种电力设备监测方法，尤其涉及一种导热硅脂和散热风扇的健康状态监测方法。
背景技术
随着新能源发电装机容量的不断增加，电力电子装置得到了大规模的应用。与此同时，由于功率密度的不断提高，电力电子装置的热失效问题显得尤为突出。为了降低电力电子装置运行过程中的温度，同时考虑相关的经济成本，风冷散热系统得到了广泛的使用。该系统主要包含：导热硅脂、散热器和散热风扇。尽管风冷散热系统为电力电子装置提供了良好的散热效果，但是相关的工业界调查结果表明，该系统的可靠性并不高。
由于电力电子装置处理功率的波动性和间歇性，风冷散热系统在长期的使用过程中容易受到热循环冲击的作用。又由于散热系统内部材料的热膨胀系数不匹配，层与层之间会产生挤压形变，最终引起导热硅脂的干涸。此外，相关的研究表明，散热风扇是十大最易损坏的电子产品之一。这些组件的失效会降低散热系统的散热效果，进而导致电力电子装置故障的发生。变压器以及旋转电机的实践证明，状态监测是一种提高系统可靠性的有效途径。目前也提出了较多的方法用于风冷散热系统的健康状态监测。
对于导热硅脂状态监测来说，一种方法是利用透明塑料片对其直接进行观察，还有一种方法是利用测量的导热系数计算它的热阻。对于散热风扇状态监测来说，一种方法是根据振动信号结合时频分析判断散热风扇的运行状态，还有一种方法是通过加装速度传感器测量风扇的转速来分析散热风扇的运行情况。尽管上述这些方法可以对导热硅脂或者散热风扇健康状态进行监测，但是却不能对二者健康状态同时进行监测。
测量器件壳到环境的热阻可以对风冷散热系统整体健康状态进行监测，但是却不能找到引起散热系统失效的具体组件。此外，热阻的测量需要知道加热过程的损耗信息并且需要将风冷散热系统加热至热平衡状态，在实际应用过程中具有一定的局限性。由于电力电子装置电压电流的快速变化，如何精确测量出加热过程的损耗信息依旧是一个尚未解决的难题。并且由于器件的开通关断，风冷散热系统的温度始终处于波动状态，因此热平衡状态在电力电子装置运行过程中难以实现。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出了一种可以同时监测导热硅脂和散热风扇的老化状态的方法。
技术方案：本发明所述的导热硅脂和散热风扇的健康状态监测方法，包括步骤：
(1)根据器件、导热硅脂、散热器和散热风扇的物理连接结构，建立二阶等效考尔热网络模型；
(2)利用步骤(1)中得到的二阶等效考尔热网络模型中的各阶热参数之间的数量级差异，建立热网络时间常数和热网络模型中各阶参数之间的映射关系；
(3)获取导热硅脂和散热风扇健康状态的时间常数；
(4)根据时间常数对导热硅脂和散热风扇的健康状态进行监测。
进一步地，所述步骤(1)包括：根据物理连接结构，将器件和导热硅脂划分为第一层，散热器和散热风扇划分为第二层，得到二阶等效考尔热网络模型，所述物理连接结构为：器件、导热硅脂、散热器和散热风扇在垂直方向上从上到下依次安装所组成的形态结构。
进一步地，步骤(2)中，所述映射关系为：
Figure BDA0002316137920000021
其中，R1为反映器件和导热硅脂热学特性的热阻，R2为反映散热器和散热风扇热学特性的热阻，C1为反映器件和导热硅脂热学特性的热容，C2为反映散热器和散热风扇热学特性的热容；τ1和τ2为散热器降温曲线的时间常数。
进一步地，步骤(3)包括：利用温度传感器测量得到散热器降温过程的散热器温度和环境温度，利用最小二乘法曲线对散热器相对于环境的温度进行曲线拟合，得到时间常数τ1和τ2。
进一步地，步骤(4)包括：根据τ1监测导热硅脂的健康状态，τ2监测散热风扇的健康状态。
有益效果：本发明不仅可以对导热硅脂和散热风扇的健康状态同时进行监测，而且无需测量加热损耗，降低了硬件的成本以及操作的复杂性。
附图说明
图1是本发明所述导热硅脂和散热风扇的健康状态监测方法流程示意图；
图2是本发明中简化后的器件、导热硅脂、散热器和散热风扇的二阶等效考尔热网络模型。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
请参见图1，其示出了本发明所述的导热硅脂和散热风扇的健康状态监测方法，包括步骤：
a.根据器件、导热硅脂、散热器和散热风扇的物理连接结构，建立二阶等效考尔热网络模型；
本实施例中，步骤a具体包括：根据器件、导热硅脂、散热器和散热风扇从上到下依次进行安装所组成的形态结构，将器件和导热硅脂划分为第一层，散热器和散热风扇划分为第二层，进而建立二阶等效考尔热网络模型，如图2所示。
b.根据热网络模型中参数之间的数量级关系，建立散热器降温曲线时间常数和热网络模型参数之间的映射关系；
本实施例中，步骤b具体包括：根据等效热网络模型中第一阶热容和第二阶热容之间的数量级差异，建立散热器降温曲线时间常数和热网络模型参数之间的映射关系，如下所示：
Figure BDA0002316137920000031
其中R1为反映器件和导热硅脂热学特性的热阻，R2为反映散热器和散热风扇热学特性的热阻，C1为反映器件和导热硅脂热学特性的热容，C2为反映散热器和散热风扇热学特性的热容。τ1和τ2为散热器降温曲线的时间常数，τ1反映导热硅脂的健康状态，τ2反映散热风扇的健康状态。
在本实施例中，导热硅脂和散热风扇健康状态监测方法主要包括等效热网络模型的建立、散热器降温曲线时间常数和热网络模型参数之间的映射关系、时间常数的变化规律和时间常数的提取，本发明不仅可以对导热硅脂和散热风扇的健康状态同时进行监测，而且无需测量加热损耗，降低了硬件的成本以及操作的复杂性。
c.结合热网络模型中参数的老化规律，分析老化进程中时间常数的变化规律；
本实施例中，步骤c具体包括：根据热网络模型中热阻热容在老化过程中的变化趋势，分析时间常数的变化规律。其中热参数R1、R2和C2在导热硅脂和散热风扇老化过程中，数值是逐渐增大的，而热容C1基本不变。结合推导的映射关系可知，时间常数τ1和τ2随着导热硅脂和散热风扇的老化进程是会逐渐增加的。
d.通过拟合测量得到的散热器降温曲线，获取反映导热硅脂和散热风扇健康状态的时间常数。
本实施例中，步骤d具体包括：
(1)利用温度传感器测量得到散热器降温过程中，散热器温度Th以及环境温度Ta；
(2)利用最小二乘法对降温曲线Th-Ta进行拟合，得到用于健康状态监测的两个时间常数。
本实施例中，拟合表达式为
Figure BDA0002316137920000032
其中，α1、α2为系数，时间常数τ1反映导热硅脂的健康状态，时间常数τ2反映散热风扇的健康状态，t为降温过程的时间。由于反映导热硅脂健康状态的时间常数小于反映散热风扇健康状态的时间常数，因此可以从拟合结果区分出来。

Claims (5)

1.一种导热硅脂和散热风扇的健康状态监测方法，其特征在于，包括步骤：
(1)根据器件、导热硅脂、散热器和散热风扇的物理连接结构，建立二阶等效考尔热网络模型；
(2)利用步骤(1)中得到的二阶等效考尔热网络模型中的各阶热参数之间的数量级差异，建立热网络时间常数和热网络模型中各阶参数之间的映射关系；
(3)获取导热硅脂和散热风扇健康状态的时间常数；
(4)根据时间常数对导热硅脂和散热风扇的健康状态进行监测；
步骤(2)中，所述映射关系为：
Figure FDA0003164409140000011
其中，R1为反映器件和导热硅脂热学特性的热阻，R2为反映散热器和散热风扇热学特性的热阻，C1为反映器件和导热硅脂热学特性的热容，C2为反映散热器和散热风扇热学特性的热容；τ1和τ2为散热器降温曲线的时间常数；
通过拟合测量得到的散热器降温曲线，获取反映导热硅脂和散热风扇健康状态的时间常数，具体包括：
利用温度传感器测量得到散热器降温过程中，散热器温度Th以及环境温度Ta；
利用最小二乘法对降温曲线Th-Ta进行拟合，得到用于健康状态监测的两个时间常数；拟合表达式为
Figure FDA0003164409140000012
其中，α1、α2为系数，时间常数τ1反映导热硅脂的健康状态，时间常数τ2反映散热风扇的健康状态，t为降温过程的时间，反映导热硅脂健康状态的时间常数小于反映散热风扇健康状态的时间常数，从拟合结果区分出来。
2.根据权利要求1所述的导热硅脂和散热风扇的健康状态监测方法，其特征在于，所述步骤(1)包括：根据所述物理连接结构，将器件和导热硅脂划分为第一层，散热器和散热风扇划分为第二层，得到二阶等效考尔热网络模型。
3.根据权利要求1所述的导热硅脂和散热风扇的健康状态监测方法，其特征在于，所述物理连接结构为：器件、导热硅脂、散热器和散热风扇在垂直方向上从上到下依次安装所组成的形态结构。
4.根据权利要求1所述的导热硅脂和散热风扇的健康状态监测方法，其特征在于，步骤(3)包括：利用温度传感器测量得到散热器降温过程中的散热器温度和环境温度，利用最小二乘法对散热器相对于环境的温度进行曲线拟合，得到时间常数τ1和τ2。
5.根据权利要求1所述的导热硅脂和散热风扇的健康状态监测方法，其特征在于，步骤(4)包括：根据τ1监测导热硅脂的健康状态，τ2监测散热风扇的健康状态。
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