Obliczanie rezystancji termicznej chłodzenia wodą radiatora IGBT dużej mocy

Obliczanie rezystancji termicznej chłodzenia wodą radiatora IGBT dużej mocy

abstrakt: W celu optymalizacji zdolności odprowadzania ciepła przez chłodnicę chłodzoną wodą i zapewnienia jej niezawodnej pracy przytoczono podstawowe zasady i wzory wymiany ciepła oraz wymiary mechaniczne kształtu chłodnicy, współczynnik przenikania ciepła wymuszonej konwekcji wody i przewodność cieplna wody są używane jako parametry, a Zmienne wyprowadzają wzór do obliczania oporu cieplnego radiatora przy chłodzeniu wodą.Jednocześnie, aby sprostać praktycznemu zastosowaniu, opracowano specjalne oprogramowanie do obliczania oporu cieplnego chłodnicy chłodzonej wodą i rysowania krzywych, które może wyświetlać różne krzywe zmiany oporu cieplnego wraz ze zmianami parametrów, a także może bezpośrednio obliczać i wyświetlać wartości oporu cieplnego.Zapewnia intuicyjne i wygodne odniesienie do optymalnego doboru parametrów w projekcie grzejnika.

Słowa kluczowe: chłodnica chłodzona wodą;obliczenia oporu cieplnego;oprogramowanie;radiator IGBT dużej mocy

Lokomotywa elektryczna Harmony to lokomotywa elektryczna z falownikiem AC-DC-AC wykorzystująca technologię półprzewodnikową dużej mocy.Ze względu na swoje cechy techniczne, takie jak zaawansowana regulacja prędkości konwersji częstotliwości prądu przemiennego, hamowanie regeneracyjne, sterowanie silnikiem prądu przemiennego dużej mocy i wysoki stopień automatyzacji, jest szeroko stosowany w lokomotywach dużych prędkości i dużej mocy w transporcie magistrali kolejowej.Przetwornica każdej lokomotywy wykorzystuje trzy rodzaje modułów IGBT, a mianowicie: czterokwadrantowy moduł przerywacza (4QC), moduł falownika po stronie silnika (Inv) i pomocniczy moduł falownika.Zbadano usterki 305 przetwornic lokomotyw elektrycznych HXD1B w pewnej zajezdni lokomotyw w okresie od lipca 2009 do 4 maja 2011 i stwierdzono, że w sumie 4880 modułów było w użyciu, z 255 usterkami, a liczba usterek Moduł IGBT pokazuje, że w co najmniej jeden układ IGBT uległ awarii.Jak dotąd nie wystąpiła awaria modułu spowodowana przyczynami innymi niż półprzewodnikowe elementy mocy.Ten rodzaj awarii nasila się wraz ze wzrostem sezonowej temperatury otoczenia.Można wywnioskować, że awaria IGBT jest ściśle związana z jego rozpraszaniem ciepła, więc chłodzenie i cyfrowe ciepło urządzeń elektronicznych stały się jednym z celów późniejszych badań.Badając problemy chłodzenia i odprowadzania ciepła urządzenia, optymalizuje się i przekształca warunki odprowadzania ciepła, tak aby mogło ono pracować jak najdłużej w środowisku o odpowiedniej temperaturze i zmniejszyć częstość wypadków, co odgrywa ważną rolę w utrzymanie bezpiecznej eksploatacji lokomotyw kolejowych.

W tym artykule, poprzez analizę procesu rozpraszania ciepła przez promiennik IGBT dużej mocy, najpierw przytoczono podstawowe zasady i wzory wymiany ciepła, a obliczenie oporu cieplnego podzielono na opór cieplny przewodzenia ciepła generowany przez ciało stałe proces wymiany ciepła w chłodnicy i chłodnicy oraz układzie chłodzenia.Opór cieplny konwekcyjnego przenoszenia ciepła wytwarzany w procesie wymiany ciepła między cieczami składa się z dwóch części, a obliczenie oporu cieplnego chłodzenia wodą chłodnicy jest wyprowadzane na podstawie mechanicznego rozmiaru kształtu grzejnika, wymuszonego konwekcyjnego współczynnika przenikania ciepła wody i współczynnik przewodnictwa cieplnego wody jako parametry i wzór na zmienne.Dla uproszczenia analizy opracowano oprogramowanie do obliczeń oporu cieplnego.Oprogramowanie ma prosty i przejrzysty interfejs obsługi, który może wyświetlać różne krzywe oporu cieplnego zmieniające się wraz z parametrami, a także może bezpośrednio obliczać i wyświetlać wartości oporu cieplnego.Zapewnia intuicyjne i wygodne odniesienie do analizy projektu grzejnika.

1 Podstawowe wzory i zasady wymiany ciepła

1.1 Zasada i podstawowy sposób wymiany ciepła

Podstawowy wzór na przewodzenie ciepła to:

Q=KA△T／△L (1)

We wzorze Q oznacza ciepło, to znaczy ciepło wytwarzane lub przewodzone przez przewodzenie ciepła;K to współczynnik przewodności cieplnej materiału.△T reprezentuje różnicę temperatur między dwoma końcami;△L to odległość między dwoma końcami.Konwekcja odnosi się do przenoszenia ciepła, w którym płyn (gaz lub ciecz) styka się z powierzchnią ciała stałego, powodując, że płyn usuwa ciepło z powierzchni ciała stałego.

Wzór na konwekcję ciepła to:

Q=hA△T (2)

We wzorze: Q nadal reprezentuje ciepło, to znaczy ciepło odebrane przez konwekcję ciepła;h jest wartością współczynnika konwekcji ciepła;A to efektywna powierzchnia kontaktu konwekcji ciepła;△T reprezentuje różnicę temperatur między powierzchnią ciała stałego a płynem regionalnym.

1.2 Obliczanie oporu cieplnego

Opór cieplny reprezentuje opór w procesie przewodzenia ciepła i jest to kompleksowy parametr odzwierciedlający zdolność do zapobiegania przenoszeniu ciepła.W celu uproszczenia analizy, po uproszczeniu modelu grzejnika, przyjmuje się, że istnieją dwie postaci oporu cieplnego konwekcyjnego przenoszenia ciepła oraz oporu cieplnego przewodnictwa cieplnego.W płaskiej płycie radiatora występuje opór cieplny przewodzenia ciepła.Wzór obliczeniowy to:

Rnd=L／KA (3)

We wzorze: L oznacza grubość płyty grzejnika;K reprezentuje przewodność cieplną aluminiowej płyty;A reprezentuje pole przekroju poprzecznego prostopadłe do kierunku przepływu ciepła, czyli pole powierzchni płyty.

Opór cieplny między wodą w chłodnicy a radiatorem to opór cieplny konwekcyjnego przenoszenia ciepła.Wzór obliczeniowy to:

Rnv=1/hAs (4)

We wzorze: As oznacza całkowitą efektywną powierzchnię wymiany ciepła konwekcyjnego;h reprezentuje współczynnik konwekcyjnej wymiany ciepła, który jest powiązany z liczbą Nusselta.Zgodnie ze wzorem obliczeniowym liczby Nusselta, wzór obliczeniowy h można wydedukować odwrotnie w następujący sposób:

We wzorze: Nu oznacza liczbę Nusselta;λf reprezentuje przewodność cieplną płynu;h tutaj powinno być przewodnością cieplną konwekcji wymuszonej wody;Dh jest geometryczną długością charakterystyczną reprezentującą powierzchnię wymiany ciepła, tutaj reprezentuje średnicę hydrauliczną rury.

Całkowity opór cieplny definiujący radiator oblicza się w następujący sposób:

Rtd=RnvλfB+RndKB (6)

We wzorze: B oznacza szerokość grzejnika, a inne wartości wprowadza się wcześniej.Gdy wymiary zewnętrzne grzejnika są ustalone, ze wzoru (3) wynika, że ​​Rnd jest pewną wartością, a zarówno K, jak i B są wartościami stałymi.Jeśli λf jest stałe, całkowity opór cieplny grzejnika jest bezpośrednio związany z Rnv.Spójrzmy na konwekcyjny opór cieplny grzejnika.Ze wzoru (5) wzór (6) można otrzymać:

Ze wzoru (7) wynika, że ​​opór cieplny konwekcyjnego przenoszenia ciepła jest wprost proporcjonalny do Dh i odwrotnie proporcjonalny do As.Widać, że nie można na ślepo zwiększać średnicy hydraulicznej rurociągu w celu zwiększenia ilości krążącej wody, przez co nie można uzyskać dobrego efektu chłodzenia.Zmniejszenie Rnv odpowiednio zmniejszy całkowity opór cieplny grzejnika i poprawi efekt rozpraszania ciepła.Podstawiając wzór (3) i wzór (7) do wzoru (6), wzór na obliczenie całkowitego oporu cieplnego jest następujący:

Gdzie: le oznacza długość grzejnika;λf to przewodność cieplna wody, a h to współczynnik przenikania ciepła wody przez wymuszoną konwekcję.

1.3 Przykład obliczeń

Ogólnie rzecz biorąc, gdy chłodnica sprzętu elektronicznego przyjmuje metodę rozpraszania ciepła chłodzącego wodę, obieg cieczy wewnątrz chłodnicy dzieli się na dwa typy: kanał szeregowy i kanał równoległy.Jak pokazano na rysunku 1, pokazane są odpowiednio przekroje kanałów obu modeli.Wśród nich model A to szeregowa dystrybucja kanałów wodnych, a model polega na dodaniu kilku żeber chłodzących do każdego szeregowego kanału wodnego.Model B polega na tym, że równoległe kanały wodne mają tylko proste kanały, a ciecz przepływa przez równoległe kanały wodne od wlotu wody do wylotu wody.

Przewodność cieplna wody λf jest dobrana jako 0,5 W/mK, a współczynnik przenikania ciepła przez wymuszoną konwekcję wody h wynosi 1 000 W/m2K.Dla wygody obliczeń pominięto małe wymiary, takie jak grubość radiatora.Całkowite wymiary radiatora czterokwadrantowego modułu IGBT dla lokomotyw wynoszą L=0,005 m, L=0,55 m i B=0,45 m.Ponieważ wymiary zewnętrzne są takie same, różnica w oporze cieplnym między modelem serii A i równoległym modelem B polega na różnicy w As.Ustaw powierzchnię górnego i dolnego panelu wewnętrznej ściany grzejnika, powierzchnię przedniego i tylnego panelu, powierzchnię lewego i prawego panelu oraz całkowitą powierzchnię radiatora jako As1, As2, As3, i As4, odpowiednio.Model z serii A ma 19 wewnętrznych radiatorów.As1=0,495m2, As2=0,0432m2, As3=0,0528m2, As4=0,8208m2.Całkowita efektywna powierzchnia chłodzenia wynosi: As=As1+As2+As3+As4=1,4118 m2.Podstawiając każdy parametr do wzoru (9), opór cieplny modelu serii A otrzymujemy jako:

Model B, jak widać na zrzucie ekranu rozkładu prędkości, woda wpływa z wlotu wody i przepływa tylko przez środkową 1/3 chłodnicy, a prędkość przepływu pozostałych części po lewej i prawej stronie wynosi prawie 0, co jest pomijalne.W ten sposób efektywny obszar rozpraszania ciepła górnego i dolnego panelu można określić jako 1/3 całkowitej powierzchni, a efektywny obszar rozpraszania ciepła przedniego i tylnego panelu również stanowi 1/3 całkowitej powierzchni.Brak przepływu wody przez lewy i prawy panel nie liczy się jako efektywna powierzchnia rozpraszania ciepła.Efektywna liczba przepływów wody przez środkowy radiator to 6 sztuk.Następnie są:

2 Oprogramowanie do obliczania oporu cieplnego radiatora i rysowania krzywej oporu cieplnego

2.1 Formularz interfejsu

Formę głównego interfejsu przedstawiono na rysunku 3. W zależności od potrzeb oprogramowanie to projektuje głównie dwa moduły funkcjonalne.Jeden to moduł do obliczania określonych wartości oporu cieplnego chłodzenia wodą, a drugi to moduł do rysowania krzywych oporu cieplnego chłodzenia wodą.

Interfejs modułu obliczania rezystancji termicznej chłodnicy wody chłodzącej pokazano na rysunku 4.

Wśród nich l to długość grzejnika, jednostką jest m;B to szerokość grzejnika, jednostką jest metr;L to grubość grzejnika, jednostką jest metr;A to całkowita efektywna powierzchnia chłodzenia chłodnicy, jednostka to metr kwadratowy;h to współczynnik przenikania ciepła przez wymuszoną konwekcję wody, jednostka W/m2K;λ to przewodność cieplna wody, jednostką jest W/mK.Wynikiem obliczeń jest wartość oporu cieplnego chłodnicy chłodzonej wodą, a jednostką jest cm2K/W.Funkcja tego modułu ma charakter obliczeniowy, który może realizować obliczenie odpowiedniej wartości oporu cieplnego grzejnika w warunkach wielkości geometrycznej grzejnika, współczynnika przenikania ciepła wymuszonej konwekcji wody i przewodności cieplnej woda.Moduł rysunkowy krzywej oporu cieplnego chłodnicy chłodzonej wodą pokazano na rysunkach 5 i 6. Znaczenie jej parametrów jest takie samo jak na rycinie 4. Krzywa chłodnicy chłodzonej wodą przedstawia ilościową zależność między całkowitym powierzchnia grzejnika, współczynnik przenikania ciepła wody przez wymuszoną konwekcję oraz opór cieplny.Rozwiązano dwa problemy;dla grzejnika o danej efektywnej powierzchni oddawania ciepła, aby osiągnąć określony opór cieplny, ile trzeba osiągnąć współczynnika przenikania ciepła wymuszonej konwekcji wody, czyli jakiej średnicy rury potrzeba.Dla określonego współczynnika przenikania ciepła przez konwekcję wymuszoną wody, jak kontrolować opór cieplny przez obszar rozpraszania ciepła grzejnika.

2.2 Instrukcje obliczania oporu cieplnego

Proces rysowania krzywych oporu cieplnego na rys. 5 i 6 jest zilustrowany poniżej przykładami.W „1.3 Przykłady” obliczono całkowity opór cieplny modelu serii A i modelu B.Najpierw wypełniamy odpowiednie puste pola przewodnością cieplną wody λ=0,5 W/mk, L=0,005 m, ls=0,55 m, B=0,45 m.Następnie wybierz typ krzywej.Przy różnych współczynnikach przenikania ciepła przez wymuszoną konwekcję wody, zależność między efektywną powierzchnią rozpraszania ciepła grzejnika a oporem cieplnym pokazano na rysunku 5. Przy różnych efektywnych powierzchniach rozpraszania ciepła, zależność między współczynnikiem przenikania ciepła przez wymuszoną konwekcję wody i opór cieplny pokazano na rysunku 6. W lewym dolnym rogu interfejsu znajduje się również opcja „Oblicz opór termiczny chłodzenia wodą”, kliknij, aby wejść do interfejsu obliczania oporu cieplnego, jak pokazano na rysunku.Wpisz odpowiednio wartość każdego parametru: λ=0,5 W/mK, L=0,005 m, ls=0,55 m, B=0,45 m, h=1 000 W/m2K, gdy powierzchnia wejściowa wynosi 1,4118 Obliczona wartość oporu cieplnego wynosi 92,502 801 066 337 cm2K/W, co jest zgodne z modelem obliczeniowym Wynik powyższego wzoru 92,503 cm2K/W.