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大功率逆变器温度场和流场的仿真分析
摘要:对于大功率逆变器，内部温度分布直接影响其性能。本文基于Ansys Icepak中的有限体积法，对大功率逆变器的温度场和流场进行了仿真和分析。通过计算逆变器中各元件的功率损耗和散热量，得出稳态运行时机柜内部的温度场和流场。根据仿真结果，可以获得逆变器中组件的工作温度，并可以评估逆变器冷却系统的性能。
1. 介绍
逆变器是将直流电转换为交流电的非常重要的电力设备。在许多逆变器中，最核心的部分是电力电子设备，例如IGBT和二极管。对于逆变器中的IGBT和二极管，发热问题不容忽视。研究表明，器件温度升高10℃，损耗增加一倍[3]。因此，研究变频器内部的温度场和流场具有十分重要的意义。
目前，基于计算机的工具被广泛地用于通过应用各种离散数值分析方法来研究流体运动的各种规律，这些方法属于计算流体动力学（CFD）[4]。与直接测试相比，CFD仿真可以大大降低研究成本，并且不受测试环境的限制。此外，它可以随时根据需要修改仿真条件，以获得所需的仿真结果，并且仿真结果具有很高的可操作性。Ansys Icepak是用于分析电子散热的软件，已广泛用于电子产品研发过程的各个行业。在复杂系统的温度场和流场的仿真分析中，大多数情况下采用有限体积法。使用这种方法，可以获得较高的仿真结果。
本文使用Ansys Icpak模拟了大功率逆变器的温度场和流场。通过给出逆变器柜的内部结构布局和热负荷布置，可通过Ansys SpaceClaim（SCDM）软件对逆变器模型进行预处理。然后，根据给定的运行条件，在Ansys Icepak软件中模拟逆变器的温度场和流场。根据仿真结果，可以得到逆变器稳态运行时机柜内部温度场和流场的分布。根据仿真结果
可以获得逆变器中组件的工作温度，并评估逆变器冷却系统的性能。
2. 基本理论
2.1. 传热的三种基本方式
大功率逆变器内部有三种传热方式，包括热传导，热对流和热辐射。
纯热传导仅在固体中发生并且遵循傅立叶定律
其中表示热流，表示导热率，A表示垂直于热流方向的面积，t /x表示温度梯度。
热对流一般分为自然对流和强制对流，这符合牛顿的冷却定律
其中Tw是固体表面温度，Tf表示冷却液温度，表示对流传热，h代表对流传热系数，A代表固体壁换热面积。热辐射满足斯蒂芬·玻尔兹曼定律
代表热流 代表表面发射率，A代表辐射表面积，
表示斯蒂芬常数，Ta表示发射器表面温度，Tb表示接收器表面温度。
2.2. 流体控制方程
流体运动必须遵循三组控制方程，包括质量守恒方程，动量方程和能量守恒方程。
质量守恒方程是连续性方程：
其中u，v和w分别是x，y和z方向的速度分量，代表密度。
x方向上的动量方程可描述如下：
y方向上的动量方程可描述如下：
z方向上的动量方程可描述如下：
其中u，v和w分别是x，y和z方向的速度分量。代表流体
粘度系数P表示流体微体上的压力，代表密度，f x , fy和fz分别是x，y和z方向的加速度。
能量守恒定律是包含热交换的流动系统必须满足的基本定律：
其中u，v和w分别是x，y和z方向的速度分量，T表示流体温度，表示流体的导热系数，代表密度Cp代表流体的恒压比热容，ST代表粘性耗散项。
3. 物理模型
3.1. 变频器结构
大功率逆变器的内部分布结构如图1所示。
图1。变频器内部结构
逆变器内部的基本结构布局包括五个部分，包括功率输入，控制部分，电容器部分和半桥功率单元部分，功率输出和水冷却系统部分。
3.2. 热源分析
逆变器的主要加热部件是六个功率单元，由二极管和IGBT组成。在一个工作周期（T = 60s）的情况下，逆变器的总损耗能量为989.24kJ，单个功率单元的损耗分布如图2所示。
图2。一个周期内每个功率单元的总损耗
在图2中，AD01-04是二极管，AL02-03和AR02-03是IGBT2，其他是IGBT1。
在逆变器的其他部分，设备的热损耗和电阻相对较小，因此可以忽略不计。表1列出了每个电源单元中主要功率设备的热参数。
表格1。主功率器件的热参数
|
名称 |
单台设备功率（瓦特） |
温度范围 |
|
二极管 |
236.62 |
-40℃~125℃ |
|
IGBT1 |
210.17 |
-40℃~125℃ |
|
IGBT2 |
240.2 |
-40℃~125℃ |
3.3. 风路分析
逆变器的完整风管如图3所示。
1个散热器;2风洞3-空气-水热交换器4轴风扇;5离心风机
图3。变频器的完整风道
如图所示。如图3所示，逆变器采用带有空气-水热交换器的封闭式循环空气冷却系统。功率输出部分有两个离心风扇，水冷却系统部分有两个轴流风扇，半桥功率单元中有六个散热器。两个散热器中的每一个都安装在单独的管道中。
3.4. 模型预处理
由于逆变器的原始模型非常复杂，因此无法直接在Ansys Icepak中进行计算。因此，必须对其进行处理以满足Ansys Icepak的要求。本文中，SCDM用于处理逆变器模型。处理完模型后，可以将其导入Ansys Icepak中，并对模型进行网格划分。网格的质量直接决定了求解计算的准确性和收敛性。构建和网格化的模型如图4所示。
图4。逆变器啮合模型
逆变器模型中有许多细长且相对较小的设备。因此，不连续应用于网格划分方法。该方法的优点是减少了网格的数量，而不会影响网格的纵横比。
4. 流场分析
在对逆变器的模型进行处理和网格化之后，它可以在Ansys Icepak中模拟逆变器的内部流场。逆变器Y轴方向的速度矢量场如图5所示。
图5。Y轴方向速度矢量
从图5可以看出，空气的流动方向基本上与图3所示的设计路线一致。在气体流过轴流风扇和电流互感器进入离心风扇之前，存在少量涡流。逆变器中的最高流速约为12.20m / s。散热器入口处的速度高于出口处的速度。入口处的速度约为8.15m / s，出口处的速度约为4.87m / s。表2列出了变频器中风扇的流动性能。
表2。风扇在变频器中的流动性能
|
名称 |
风量（m3/ s） |
压降（N / m2） |
|
轴流风机1 |
0.412174 |
75.4194 |
|
轴流风机2 |
0.41184 |
75.5606 |
|
离心风机1 |
0.20917 |
497.952 |
|
离心风机2 |
0.202295 |
505.618 |
从表2可以看出，两个离心风机的总流量为0.411 m3/ s，即1480 m3/ h。模拟结果接近于设计为1500 m3/ h的气水热交换器的风量。
5. 温度场分析
逆变器内部的温度场分布如图6所示。模拟过程中的环境温度设置为13℃。
图6。变频器温度场分布
从图6可以看出，逆变器的最高内部温度约为58.26℃，位于逆变器的下部。轴流风扇附近的最低温度约为12℃。因为空气刚从空气-水热交换器中流出，所以大部分热量已被空气-水热交换器中的水带走。它还反映了空气-水热交换器的散热效果。根据温度场的结果，逆变器中所有组件的温度都在表I中列出的设备温度范围内，并且逆变器的冷却系统具有良好的性能。
6. 结论
本文在Ansys Icepak软件中模拟了大功率逆变器的流场和温度场。
通过对逆变器内部流场分布的分析，空气的流向基本符合设计路线。在机柜中，除了功率单元和散热器的相关风道之外，其他设备没有独立的风道，因此会出现少量涡流区域。涡流区域的这部分是由风扇的流动特性引起的。但这基本上是在非主要热敏元件所在的区域。因此，对变频器的温度分布特性影响很小
温度场的仿真结果表明，逆变器内部功率元件的温度从上到下逐渐升高。逆变器下部的最高温度约为58.26℃。功率元件的温度范围在表I所示设备的温度参数范围内，并且具有较高的温度裕度。
参考文献
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[2] WD Wang，ZX Huang，M，Q，Li，ANSYS SpaceClaim指南和CAE预处理应用程序解决方案。北京：中国水利水电出版社，2017年8月。
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[4] Sun ZY，XR Wu，“计算流体动力学数值模拟方法的讨论和应用”，《水技术与经济》，第46卷（02），第126-128页，2月
[5] 刘，李Y静，“基于软波流利的电力变压器温度场计算与分析”，《高压电器》，第48卷，第10期，第6-11页，12月
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[7] 杨晓波，周晓东，陈加元，蔡旭，“基于Flotherm分析的光伏逆变器的热设计”，电力电子技术，第47卷（03），第54-56页，3月
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[9] 丁丁，郭BC，冯海江，等，“变频控制下的永磁同步电动机的温度场分析”，《中国电机工程学报》，第34卷（09），第1368-1375页，一月
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