一種勵(lì)磁系統(tǒng)自冷熱管散熱功率柜的設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種勵(lì)磁系統(tǒng)自冷熱管散熱功率柜的設(shè)計(jì)方法，其包括以下步驟：1)對比元器件參數(shù)與出廠數(shù)據(jù)，通過計(jì)算滿足設(shè)計(jì)需求的各型號可控硅整流模塊、散熱模塊及阻容吸收模塊的發(fā)熱功率，優(yōu)選主要元器件。2)提出勵(lì)磁系統(tǒng)自冷熱管散熱功率柜設(shè)計(jì)方案，搭建整柜有限元仿真模型，通過代入實(shí)際元器件數(shù)據(jù)后的仿真結(jié)果對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。有效的優(yōu)化和精簡了勵(lì)磁系統(tǒng)自冷熱管散熱功率柜的設(shè)計(jì)研制流程，節(jié)省了整柜的多方案試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，大大縮短了自冷熱管散熱功率柜的研制周期，并滿足了不同環(huán)境及機(jī)組容量對功率柜的需求。
【專利說明】一種勵(lì)磁系統(tǒng)自冷熱管散熱功率柜的設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)自動(dòng)化【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種勵(lì)磁系統(tǒng)自冷熱管散熱功率柜的設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自冷熱管散熱功率柜具有低碳環(huán)保、節(jié)能減排與無塵免維護(hù)的優(yōu)勢，現(xiàn)已有一些勵(lì)磁系統(tǒng)廠家進(jìn)行研制，但是由于熱管散熱器結(jié)構(gòu)和功率柜散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不夠完善，導(dǎo)致在功率柜電流較高的情況下還是要依靠后備風(fēng)機(jī)進(jìn)行散熱，并沒有達(dá)到停風(fēng)散熱的目標(biāo)。如能設(shè)計(jì)出機(jī)組正常運(yùn)行中不需要開啟風(fēng)機(jī)的勵(lì)磁功率柜，對于用戶來說可以大幅減輕對勵(lì)磁功率柜的維護(hù)工作，也可以增強(qiáng)勵(lì)磁功率柜運(yùn)行的可靠性。
[0003]目前自冷勵(lì)磁系統(tǒng)的熱管散熱功率柜設(shè)計(jì)方法的主要依賴于試驗(yàn)優(yōu)選方案的設(shè)計(jì)方法。試驗(yàn)優(yōu)選方案的設(shè)計(jì)方法主要依賴工程設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提出幾種基本設(shè)計(jì)方案，通過試驗(yàn)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)選確定最終方案的。按照這種傳統(tǒng)的研制模式，每套方案都需要進(jìn)行熱平衡試驗(yàn)驗(yàn)證熱設(shè)計(jì)及設(shè)備的安裝是否滿足要求，試驗(yàn)費(fèi)用高且研發(fā)周期長，不適應(yīng)熱管散熱功率柜的用戶定制投產(chǎn)模式。
[0004]不同環(huán)境及機(jī)組容量對自冷勵(lì)磁系統(tǒng)的熱管散熱功率產(chǎn)品的性能需求存在差異，導(dǎo)致其主要元器件選型多樣化，使得整體熱設(shè)計(jì)與實(shí)際發(fā)熱功耗發(fā)生變化。在不采用傳統(tǒng)的試驗(yàn)優(yōu)選方案的方法下，需要尋找一種快速有效低成本的方法來達(dá)到熱管散熱功率產(chǎn)品的器件選型及熱平衡最優(yōu)設(shè)計(jì)。
[0005]自冷勵(lì)磁系統(tǒng)的熱管散熱功率產(chǎn)品提出了額定散熱功耗下的溫升要求，并對其最大溫度進(jìn)行了限制。在環(huán)境溫度升高或產(chǎn)品過負(fù)載運(yùn)行時(shí)，熱保護(hù)設(shè)計(jì)的判定啟動(dòng)與額外散熱能力需要在特定的試驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行，只能委托專業(yè)試驗(yàn)認(rèn)證機(jī)構(gòu)進(jìn)行。自冷勵(lì)磁系統(tǒng)的熱管散熱功率產(chǎn)品的熱保護(hù)設(shè)計(jì)是否達(dá)到要求，也需要一種易于實(shí)施的方法來進(jìn)行驗(yàn)證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供一種勵(lì)磁系統(tǒng)自冷熱管散熱功率柜的設(shè)計(jì)方法，能夠根據(jù)性能需求提供最優(yōu)選型，降低材料成本，并且減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)中對多方案的試驗(yàn)驗(yàn)證的依賴，優(yōu)化結(jié)構(gòu)與熱保護(hù)設(shè)計(jì)。
[0007]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明勵(lì)磁系統(tǒng)自冷熱管散熱功率柜的設(shè)計(jì)方法可采用如下技術(shù)方案:
[0008]一種勵(lì)磁系統(tǒng)自冷熱管散熱功率柜的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0009]1.1)、確認(rèn)勵(lì)磁系統(tǒng)自冷熱管散熱功率柜性能參數(shù)，包括單柜額定勵(lì)磁電壓電流、整流橋類型、脈沖觸發(fā)方式與散熱風(fēng)道類型；
[0010]1.2)、依照勵(lì)磁系統(tǒng)自冷熱管散熱功率柜性能要求，計(jì)算各主要元器件的最低需求參數(shù):可控娃電氣參數(shù)、阻容電氣參數(shù)、快熔電氣參數(shù)；[0011]1.3)、選取符合最低需求參數(shù)要求的備選主要元器件，根據(jù)同類型主要元器件的參數(shù)及出廠數(shù)據(jù)計(jì)算柜內(nèi)可控硅整流模塊與阻容吸收模塊的熱功耗；
[0012]1.4)、比對備選主要元器件的熱功耗值，優(yōu)選并確認(rèn)主要元器件；
[0013]2.1)、依據(jù)元器件發(fā)熱特性初步擬定多個(gè)設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)制圖；
[0014]2.2)、搭建各方案勵(lì)磁系統(tǒng)自冷熱管散熱功率柜的有限元熱分析仿真模型；
[0015]2.3)、對比相同參數(shù)下勵(lì)磁系統(tǒng)自冷熱管散熱功率柜各模塊仿真數(shù)據(jù)，對不同方案的各模塊的溫度變化趨勢進(jìn)行分析，選取最佳設(shè)計(jì)方案；
[0016]2.4)、根據(jù)最佳設(shè)計(jì)方案生產(chǎn)樣柜，并對樣柜進(jìn)行熱平衡試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)M樣柜在額定與極限運(yùn)行狀態(tài)下的各元器件發(fā)熱情況，對樣柜的設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證樣柜設(shè)計(jì)是否能滿足實(shí)際運(yùn)行工況的要求，記錄設(shè)計(jì)技術(shù)狀態(tài)下樣柜內(nèi)部各主要發(fā)熱元器件的最低平衡溫度與最高平衡溫度:如果柜內(nèi)發(fā)熱元器件最高平衡溫度在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，則可認(rèn)定樣機(jī)設(shè)計(jì)合格，可進(jìn)行投產(chǎn)；如果柜內(nèi)發(fā)熱元器件最高平衡溫度超出設(shè)計(jì)要求范圍，則可認(rèn)定樣機(jī)設(shè)計(jì)不合格，需根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化調(diào)整仿真模型，改進(jìn)設(shè)計(jì)直至合格。
[0017]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明通過分析自冷熱管散熱功率柜的需求，計(jì)算比對各發(fā)熱模塊熱功耗，優(yōu)化元器件設(shè)計(jì)選型；通過搭建多方案有限元熱分析仿真模型，比對核心器件可控硅的熱平衡最高溫度優(yōu)選設(shè)計(jì)方案；通過優(yōu)選設(shè)計(jì)方案樣柜實(shí)際測量數(shù)據(jù)優(yōu)化調(diào)整有限元熱分析仿真模型，作為后續(xù)勵(lì)磁系統(tǒng)自冷熱管散熱功率柜的評價(jià)基準(zhǔn)。這種的設(shè)計(jì)方法有效的優(yōu)化和精簡了勵(lì)磁系統(tǒng)自冷熱管散熱功率柜的設(shè)計(jì)研制流程，節(jié)省了整柜的多方案試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，大大縮短了自冷熱管散熱功率柜的研制周期，并滿足了不同環(huán)境及機(jī)組容量對功率柜的需求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明的元器件優(yōu)化選型流程圖。
[0019]圖2為本發(fā)明的搭建有限元熱分析模型流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]本實(shí)施例的勵(lì)磁系統(tǒng)自冷熱管散熱功率柜的設(shè)計(jì)方法，其基于圖1所示元器件優(yōu)化選型與圖2所示的搭建有限元熱分析模型的方法而實(shí)現(xiàn)，所述設(shè)計(jì)方法中，有效的優(yōu)化和精簡了勵(lì)磁系統(tǒng)自冷熱管散熱功率柜的設(shè)計(jì)研制流程，節(jié)省了整柜的多方案試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，大大縮短了自冷熱管散熱功率柜的研制周期。設(shè)計(jì)方法主要包括兩個(gè)部分:
[0021]I)比對元器件參數(shù)與出廠數(shù)據(jù)，通過計(jì)算滿足設(shè)計(jì)需求的各型號單組可控硅整流及散熱模塊和阻容吸收模塊的發(fā)熱功率，優(yōu)選主要元器件。
[0022]2)提出勵(lì)磁系統(tǒng)自冷熱管散熱功率柜設(shè)計(jì)方案，搭建整柜有限元仿真模型，通過代入實(shí)際元器件數(shù)據(jù)后的仿真結(jié)果對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。
[0023]前述的勵(lì)磁系統(tǒng)自冷熱管散熱功率柜的設(shè)計(jì)方法，在所述步驟I)中，具體步驟為:
[0024]1.1)確認(rèn)勵(lì)磁系統(tǒng)自冷熱管散熱功率柜主要性能參數(shù)，包括單柜額定勵(lì)磁電壓電流、整流橋類型、脈沖觸發(fā)方式與散熱風(fēng)道類型。
[0025]1.2)依照勵(lì)磁系統(tǒng)自冷熱管散熱功率柜主要性能要求，計(jì)算各主要元器件的最低需求參數(shù):可控娃電氣參數(shù)、阻容電氣參數(shù)、快熔電氣參數(shù)。
[0026]1.3)選取符合最低需求參數(shù)要求的備選主要元器件，根據(jù)同類型主要元器件的參數(shù)及出廠數(shù)據(jù)計(jì)算柜內(nèi)可控硅整流模塊與阻容吸收模塊的熱功耗。
[0027]1.4)比對元器件的價(jià)格及熱功耗值，優(yōu)選并確認(rèn)主要元器件。
[0028]在所述步驟1.2)中，需考慮多路并聯(lián)橋臂退出其中任意一路情況下能保證發(fā)電機(jī)最大容量勵(lì)磁電流的1.1倍下連續(xù)運(yùn)行時(shí)的可控硅最大通態(tài)平均電流:
【權(quán)利要求】
1.一種勵(lì)磁系統(tǒng)自冷熱管散熱功率柜的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟: 1.1)、確認(rèn)勵(lì)磁系統(tǒng)自冷熱管散熱功率柜性能參數(shù)，包括單柜額定勵(lì)磁電壓電流、整流橋類型、脈沖觸發(fā)方式與散熱風(fēng)道類型； 1.2)、依照勵(lì)磁系統(tǒng)自冷熱管散熱功率柜性能要求，計(jì)算各主要元器件的最低需求參數(shù):可控娃電氣參數(shù)、阻容電氣參數(shù)、快熔電氣參數(shù)； 1.3)、選取符合最低需求參數(shù)要求的備選主要元器件，根據(jù)同類型主要元器件的參數(shù)及出廠數(shù)據(jù)計(jì)算柜內(nèi)可控硅整流模塊與阻容吸收模塊的熱功耗； 1.4)、比對備選主要元器件的熱功耗值，優(yōu)選并確認(rèn)主要元器件； 2.1)、依據(jù)元器件發(fā)熱特性初步擬定多個(gè)設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)制圖； 2.2)、搭建各方案勵(lì)磁系統(tǒng)自冷熱管散熱功率柜的有限元熱分析仿真模型； 2.3)、對比相同參數(shù)下勵(lì)磁系統(tǒng)自冷熱管散熱功率柜各模塊仿真數(shù)據(jù)，對不同方案的各模塊的溫度變化趨勢進(jìn)行分析，選取最佳設(shè)計(jì)方案； 2.4)、根據(jù)最佳設(shè)計(jì)方案生產(chǎn)樣柜，并對樣柜進(jìn)行熱平衡試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)M樣柜在額定與極限運(yùn)行狀態(tài)下的各元器 件發(fā)熱情況，對樣柜的設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證樣柜設(shè)計(jì)是否能滿足實(shí)際運(yùn)行工況的要求，記錄設(shè)計(jì)技術(shù)狀態(tài)下樣柜內(nèi)部各主要發(fā)熱元器件的最低平衡溫度與最高平衡溫度:如果柜內(nèi)發(fā)熱元器件最高平衡溫度在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，則可認(rèn)定樣機(jī)設(shè)計(jì)合格，可進(jìn)行投產(chǎn)；如果柜內(nèi)發(fā)熱元器件最高平衡溫度超出設(shè)計(jì)要求范圍，則可認(rèn)定樣機(jī)設(shè)計(jì)不合格，需根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化調(diào)整仿真模型，改進(jìn)設(shè)計(jì)直至合格。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的勵(lì)磁系統(tǒng)自冷熱管散熱功率柜的設(shè)計(jì)方法，其特征在于:在所述步驟1.2)中，需考慮多路并聯(lián)橋臂退出其中任意一路情況下能保證發(fā)電機(jī)最大容量勵(lì)磁電流的1.1倍下連續(xù)運(yùn)行時(shí)的可控硅最大通態(tài)平均電流:
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的勵(lì)磁系統(tǒng)自冷熱管散熱功率柜的設(shè)計(jì)方法，其特征在于:需計(jì)算可控硅整流及散熱模塊的熱功耗，并通過仿真確定阻容吸收模塊發(fā)熱功率:
PTEN = PFEN+PonEN+PoffEN 其中，PTEN是單只可控硅導(dǎo)通的總損耗，PFEN是單只可控硅導(dǎo)通的通態(tài)損耗，PonEN是單只可控硅導(dǎo)通的開通損耗，PoffEN是單只可控硅導(dǎo)通的關(guān)斷損耗；
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的勵(lì)磁系統(tǒng)自冷熱管散熱功率柜的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括: 在所述步驟2.2)中，各方案勵(lì)磁系統(tǒng)自冷熱管散熱功率柜的有限元熱分析仿真模型的建立過程是:按整柜搭建的3D模型進(jìn)行多面體體網(wǎng)格劃分，根據(jù)步驟1.3)中的數(shù)據(jù)配置可控硅與電阻的標(biāo)稱熱耗數(shù)據(jù)，按各元器件制材特性與表面狀態(tài)設(shè)置熱物理特性，設(shè)置各連接元器件的接觸傳熱系數(shù)，從而建立勵(lì)磁系統(tǒng)自冷熱管散熱功率柜的有限元熱分析仿真模型。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的勵(lì)磁系統(tǒng)自冷熱管散熱功率柜的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括: 在所述步驟2.3)中，通過后處理取得以下各元器件仿真數(shù)據(jù):單只發(fā)熱元器件區(qū)域的最高溫度，整柜進(jìn)風(fēng)與出風(fēng)口空氣的流量，整柜熱傳遞云圖，整柜流體云圖，以可控硅的熱平衡后的最高溫度為基準(zhǔn)進(jìn)行優(yōu)選，選取最高溫度最小的方案為最優(yōu)方案。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的勵(lì)磁系統(tǒng)自冷熱管散熱功率柜的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括: 在所述步驟2.4)中，勵(lì)磁系統(tǒng)自冷熱管散熱功率柜設(shè)計(jì)合格準(zhǔn)則:仿真模型可控硅達(dá)到熱平衡后最高溫度溫升小于45K ;樣機(jī)通過包括耐壓試驗(yàn)、小電流試驗(yàn)、高壓小電流試驗(yàn)與低壓大電流試驗(yàn)在內(nèi)的常規(guī)功能形式試驗(yàn)；樣機(jī)測試的實(shí)際可控硅溫度達(dá)到熱平衡后最高溫度溫升數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)比對差值小于5°C;整柜流體云圖中流體流動(dòng)方向豎直向上；改進(jìn)設(shè)計(jì)直至合格是指，調(diào)節(jié)發(fā)熱元器件散熱的位置、接觸面積與接觸距離，增強(qiáng)整個(gè)柜體熱均勻分布，降低可控硅熱平衡后最高溫度。
【文檔編號】G06F17/50GK103970958SQ201410214709
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月20日
【發(fā)明者】萬泉, 劉麗麗, 耿敏彪, 余振, 葛東平, 袁亞洲, 張傳標(biāo), 林元飛, 仇志剛, 郭志成 申請人:國電南瑞科技股份有限公司