高压软启动反并联模块的轻量化设计.pdf
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1、1502023 年 10 月下Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备高压软启动反并联模块的轻量化设计邓超,郭金童,曾文彬,董超,陈本龙,孙文伟,赵耿(株洲中车时代半导体有限公司,湖南 株洲 421001)摘要:【目的】高压软启动模块为高压软启动装置的重要组成部分,不同的散热器及压装结构对其散热有较大的影响。为了进一步实现电机平滑启动或停车,减少对电网的冲击以及对设备的伤害。【方法】研究小组对基于标准散热器的高压软启动模块进行了热仿真分析,了解到各时间点内的温度分布情况,基于电机的工作特点,从散热和压力均匀性方面提出了模块的结构优化方案,并通过仿真
2、试验验证了该方案的正确性和可行性。【结果】连体结构在靠近模块中心位置时,元件所受的压力较小,压力较小的区域呈现出椭球状,表明其存在较为严重的压力不均匀问题;而切槽结构的压力均匀性得到了明显改善。【结论】1)直肋散热器更适宜于1 min以内的短时工况,针对通流时间较长的工况,该结构的热容较小,并不具备优势。2)将上散热器两只元件之间割一道槽,可以有效地减少上散热器台面之间的粘连,从而得到更为均匀的压装效果。关键词:高压软启动;反并联模块;结构优化;轻量化中图分类号:TM571 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.1672-3872.2023.20.0390 引言高压软启动装置在
3、电机启动或停车时,能通过改变电机上的电源电压使其逐渐加速或减速,以降低启动电流与启动转矩,从而实现电机平滑启动或停车,减少对电网的冲击以及对设备的伤害1。高压软启动模块为高压软启动装置的重要组成部分,一般为反并联的结构,不同的散热器及压装结构对其散热有较大的影响2。本文按照电机的实际工况对标准结构的反并联模块进行了仿真计算,讨论了该结构应用于此工况存在的不足,提出了改进方案并证明了方案的可行性。1 热学结构改善1.1 标准结构型材散热器热仿真基于标准化型材散热器压装的高压软启动模块,其结构形式如图1所示。一个模块压装两只反并联的元件,每只元件均以两根压杆施加压力。图1标准反并联结构模型由于模块
4、中的晶闸管元件为反并联形式,两只元件交替工作,故晶闸管的功耗一直都在发生变化。为减少仿真计算量,将正弦波在一个周期内的发热量平均至一个周期作为平均功率,可按照以下公式计算3:PAV=0.785VTMIAV+0.215VTOIAV (1)式中,VTM表示通态峰值电压,V;VTO表示门槛电压,V;IAV表示平均电流,A。按照上述公式,可得单只KPX 1300-65元件的功率为1 195 W。将以上模型导入热仿真软件,设置各材料的物性参数4。前30 s内,两只元件给定的功率均为1 195 W,其余时间为自然冷却状态,可得整个组件在30 s时的温度分布云图,如图2所示。此时,高温区域多分布于与元件台面
5、直接接触的部分,包括散热器基板和竖直排列的翅片,而两侧用于外接电路的斜翅片则对短时散热未起到多大作用。图2标准反并联结构30 s温度分布云图1.2 改进结构型材散热器热仿真标准型材散热器有翅片数量少、间距宽的特点,通常可用于长期通流的工况。而高压软启动具有短时、间歇启动的特点,元件在工作时间内产生的热损耗无法快速地扩散出去。因此,有必要去掉斜翅片,同时增加竖直翅片的数量,使其更多地分布于对称轴的位置。为了达到最佳的散热效果,其翅片厚度由基作者简介:邓超(1992),男,湖南浏阳人,硕士研究生,助理工程师,研究方向为功率半导体组件散热。2023 年 10 月下151Agricultural Ma
6、chinery and Equipment农业机械与装备板向上逐渐减少,同时,翅片上还可布置波浪纹以增大散热面积5。改进后的结构如图3所示,模块采用单面绝缘的方式,压杆数量由两根增加至四根,每根螺杆使用一个绝缘套杯,以包裹平垫圈和锥形垫圈。两散热器在长度方向错位,以增大电气间隙,同时,两只上散热器变为一只上散热器,无需增加额外的连接排。图3改进后的结构模型将以上模型导入热仿真软件,可得到改进后的模块30 s温度分布云图,如图4所示。由图4可知,采用该结构形式的散热器之后,在30 s时,散热器上的温度分布更均匀,表示温度能够有效地传导至散热器的基座和翅片。同时,与下散热器相比,上散热器的翅片会更
7、分布于元件台面周围,因此温度分布更为均匀,翅片的利用率更高。图4改进后的模块30 s温度分布云图将改进前、后模型的结温放到对数坐标图中进行对比,如图5所示。由图5可知,在给定功耗的前30 s内,改进后的结温明显更低;但在通流结束后的30 s60 s内,改进前的结温下降速率更大;至1 h时,改进前的结温基本能够恢复至室温,而改进后的结温温升仍有7。这是因为改进后的散热器整体体积减小,热容量也相应地降低,而在自然冷却的条件下,元件在短时间内更多地依靠散热器的大热容吸热来降低整体模块的平均温度6,因而散热器体积越大,在该时间段内的温度下降得也越快。2 力学结构改善2.1 有限元仿真分析采用改进的结构
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