本發(fā)明涉及散熱系統(tǒng)，特別是一種海島大功率特種電源柜。

背景技術(shù)：

海島由于其地理上的特殊性，一般通過海底電纜與大電網(wǎng)相連接，而離岸較遠(yuǎn)的海島只能使用柴油發(fā)電機(jī)或者新能源供電。大功率特種電源系統(tǒng)是發(fā)電裝置與負(fù)載之間的電能傳輸?shù)闹匾M成部分，因此海島上的大功率電源系統(tǒng)要求更高的可靠性。

大功率特種電源系統(tǒng)一般含有大功率電力電子器件igbt，igbt會(huì)大量發(fā)熱，若不能提供良好的散熱條件，將影響igbt的壽命且影響igbt的穩(wěn)定運(yùn)行，因此保證散熱良好是維持大功率電源系統(tǒng)正常工作的重要條件，需要對(duì)其散熱方案進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。在大功率電源系統(tǒng)機(jī)房中，常常采用空調(diào)制冷的方法來進(jìn)行散熱，而精密空調(diào)機(jī)組能耗相對(duì)較高，且還會(huì)出現(xiàn)氣流組織不合理，而出現(xiàn)局部熱點(diǎn)等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種海島大功率特種電源柜。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種海島大功率特種電源柜，包括安裝在室內(nèi)的柜體；所述柜體內(nèi)設(shè)置有大功率特種電源系統(tǒng)；所述柜體底部與送風(fēng)通道連通；所述送風(fēng)通道與設(shè)置在室外的風(fēng)機(jī)出風(fēng)口連通；所述柜體頂部與排風(fēng)系統(tǒng)連通。

所述風(fēng)機(jī)的集風(fēng)口的入口處安裝有鹽霧過濾器；所述排風(fēng)系統(tǒng)包括設(shè)置在所述柜體上方的排風(fēng)口、與所述排風(fēng)口連通的排風(fēng)扇、與所述排風(fēng)扇出風(fēng)口連通的排風(fēng)管道；所述排風(fēng)管道的出風(fēng)口設(shè)置在室外；所述柜體頂部設(shè)有通風(fēng)網(wǎng)孔；所述柜體底部設(shè)置在防靜電地板上；所述防靜電地板通過支架與地面固定連接；所述送風(fēng)通道設(shè)置在所述防靜電地板和地面之間；所述大功率特種電源系統(tǒng)的熱管散熱器設(shè)置在柜體內(nèi)距地面45cm高的支架上；所述熱管散熱器包括多根熱管；所述多根葉片通過多塊散熱葉片連接；所述熱管受熱側(cè)與散熱基板連接；所述熱管受熱側(cè)(前端)與散熱基板連接；所述熱管放熱側(cè)高于前端，且與水平面的夾角為5°；所述散熱葉片與水平面垂直；所述散熱基板上固定有igbt模塊。

所述熱管散熱器表面溫度ts、熱管散熱器到大氣間的熱阻rs-a、特種電源總功率損耗ploss的關(guān)系為：ts＝rs-aploss+ta；ta為環(huán)境溫度。根據(jù)裝置結(jié)構(gòu)，熱阻rs-a的計(jì)算公式為：式中，k為熱管散熱器導(dǎo)熱率，單位為w/(cm·℃)；d為熱管散熱器基板厚度，單位為cm；s為熱管散熱器有效散熱面積，單位為cm²；c1為熱管散熱器表面狀況和安裝狀態(tài)的系數(shù)，熱管散熱器水平安裝時(shí)的散熱效果；c2為強(qiáng)迫風(fēng)冷條件下熱管散熱器相對(duì)熱阻系數(shù)；c3為空氣換熱系數(shù)。

所述igbt模塊中每個(gè)橋臂的功率損耗ptot計(jì)算公式為：ptot＝pss+psw+pdc+prr；其中，prr＝0.125irrtrruce(pk)fsw；esw(on)為igbt在峰值電流icp和溫度125℃時(shí)每脈沖產(chǎn)生的導(dǎo)通損耗；esw(off)為igbt在峰值電流icp和溫度125℃時(shí)每脈沖產(chǎn)生的關(guān)斷損耗；fsw為pwm開關(guān)頻率；icp為特種電源輸入正弦波電流的峰值；uce(sat)為igbt在峰值電流icp和溫度125℃時(shí)的導(dǎo)通壓降；d為pwm占空比；θ為特種電源輸入電壓和輸入電流之間的相角；uec為igbt反并聯(lián)二極管在二極管峰值電流iep時(shí)的導(dǎo)通壓降；irr為二極管恢復(fù)電流峰值；trr為二極管恢復(fù)時(shí)間；uce(pk)為二極管恢復(fù)電壓值。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果為：本發(fā)明可以將新風(fēng)集中，由管道集中送入海島大功率特種電源柜體中，同時(shí)熱空氣可以通過散熱腔從柜體頂部流出，使得柜體內(nèi)部不會(huì)造成熱量積累和溫度超標(biāo)；排出的熱空氣被吸入排風(fēng)機(jī)中，送出室外完成熱循環(huán)；風(fēng)機(jī)置于室外可以減少噪聲和便于采集新風(fēng)；整個(gè)系統(tǒng)散熱良好，氣流設(shè)計(jì)合理，風(fēng)機(jī)效率高，能耗低。

附圖說明

圖1為散熱系統(tǒng)熱阻等效電路圖；

圖2為本發(fā)明海島大功率特種電源散熱系統(tǒng)的較佳實(shí)施方式的示意圖；

圖3為本發(fā)明海島大功率特種電源柜立面圖；

圖4為熱管散熱器使用方式圖；

圖5為熱管散熱器前視圖；

圖6為海島大功率特種電源柜頂部通風(fēng)網(wǎng)孔圖。

具體實(shí)施方式

根據(jù)負(fù)載情況求取功率器件的損耗，并求取散熱器熱阻，然后通過熱阻等效電路求解散熱器與功率器件各點(diǎn)的溫度。將散熱系統(tǒng)的損耗功率等效為電流源，熱阻產(chǎn)生的溫差等效為電壓，熱阻等效為電阻。

如圖1所示為散熱系統(tǒng)熱阻等效電路圖，tc為igbt殼管溫度，ts為散熱器基板表面溫度，ta為環(huán)境溫度。rc-a為殼管到大氣間的熱阻，rc-s為殼管到散熱器的熱阻。rc-a相對(duì)于rc-s和rs-a數(shù)值很大，因此與rc-s和rs-a并聯(lián)時(shí)可以忽略。散熱器表面溫度、散熱器到大氣間的熱阻rs-a、損耗ploss三者的關(guān)系為

ts＝rs-aploss+ta

以功率器件采用英飛凌公司生產(chǎn)的對(duì)管igbt模塊ff300r12me4的100kw大功率特種電源系統(tǒng)為實(shí)施例，模塊內(nèi)部包括2個(gè)集成了反并聯(lián)二極管的igbt單元。三相全橋特種電源的功率損耗可以由6個(gè)igbt模塊的損耗相加得到，現(xiàn)對(duì)相關(guān)物理量名稱做如下定義：

esw(on)為igbt在峰值電流icp和溫度125℃時(shí)每脈沖產(chǎn)生的導(dǎo)通損耗；esw(off)為igbt在峰值電流icp和溫度125℃時(shí)每脈沖產(chǎn)生的關(guān)斷損耗；fsw為pwm開關(guān)頻率；icp為輸出正弦波電流的峰值；uce(sat)為igbt在峰值電流icp和溫度125℃時(shí)的導(dǎo)通壓降；uec為igbt反并聯(lián)二極管在二極管峰值電流iep時(shí)的導(dǎo)通壓降；d為pwm占空比；θ為輸出電壓和輸出電流之間的相角；irr為二極管恢復(fù)電流峰值；trr為二極管恢復(fù)時(shí)間；uce(pk)為二極管恢復(fù)電壓值。

igbt模塊用于電源系統(tǒng)中，在pwm調(diào)制下igbt的電流及占空比經(jīng)常變換，使得功耗估算變得很困難，這里必須考慮變頻器輸出電壓基波與占空比之間的關(guān)系以及輸出電壓基波與輸出電流之間的關(guān)系。按照這種模式來計(jì)算，可以保證計(jì)算得到的損耗結(jié)果在各種pwm調(diào)制方式下均適用。

單只igbt的損耗計(jì)算公式如下：

(1)每個(gè)igbt的平均通態(tài)損耗pss為：

式中cosθ為功率因數(shù)。

(2)每個(gè)igbt的平均開關(guān)損耗psw為：

(3)每個(gè)igbt的總損耗pq為：

pq＝pss+psw

單只反并聯(lián)二極管的損耗計(jì)算公式如下：

(1)每個(gè)反并聯(lián)二極管的通態(tài)損耗pdc為：

(2)每個(gè)反并聯(lián)二極管的開關(guān)損耗prr為：

prr＝0.125irrtrruce(pk)fsw

則每個(gè)橋臂的功率損耗ptot為：

ptot＝pq+pd＝pss+psw+pdc+prr

對(duì)于實(shí)施例100kw的海島大功率特種電源系統(tǒng)，計(jì)算可以得到：

(1)每個(gè)igbt的平均通態(tài)損耗為：

由icp＝215a，uce(sat)＝1.4v，cosθ＝0.98，計(jì)算可得：

其中m為pwm的調(diào)制度(相電壓峰值除以1/2直流側(cè)電容電壓)。m取0.889。

(2)每個(gè)igbt的平均開關(guān)損耗為：

根據(jù)技術(shù)手冊(cè)可知，(esw(on)+esw(off))在電流有效值為152a的情況下約為80mj，開關(guān)頻率fsw為10khz，則：

(3)反并聯(lián)續(xù)流二極管的平均通態(tài)損耗為：

由iep＝141a，uec＝1.3v，cosθ＝0.98，d＝0.93，計(jì)算可得

(4)根據(jù)相關(guān)資料可知反并聯(lián)續(xù)流二極管的平均開關(guān)損耗prr約為22w：

綜上，海島大功率特種電源系統(tǒng)igbt功耗為ploss＝[(67.4+254.7+8+22)*6]w＝2112.6w。

采用強(qiáng)制風(fēng)冷散熱，其散熱設(shè)計(jì)的步驟如下。

海島大功率特種電源系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)下，散熱風(fēng)機(jī)需要從散熱器帶走的熱量為

q＝wcp△ta

w＝fρ

式中：

q—排出穩(wěn)定系統(tǒng)的總熱量(cal/s)；

w—?dú)饬髦亓苛髁?g/s)；

cp—空氣比熱(cp＝0.24cal/g·℃)；

δta—系統(tǒng)內(nèi)溫度與環(huán)境溫度之差(℃)；

f—空氣流量(cm³/s)；

ρ—空氣密度(g/cm³)；

風(fēng)機(jī)系統(tǒng)采用1臺(tái)內(nèi)徑26cm，外徑32cm，筒高17.3cm，材質(zhì)為玻璃鋼的軸流風(fēng)機(jī)。軸流風(fēng)機(jī)流量為1800m³/h，即500000cm³/s。送風(fēng)管道置于防靜電地板下，送風(fēng)管道截面為矩形結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)為60cm，寬為25cm，此時(shí)對(duì)應(yīng)風(fēng)速約為3.33m/s，可以滿足設(shè)計(jì)要求。玻璃鋼材質(zhì)的軸流風(fēng)機(jī)可以有效抵御海島上的鹽霧腐蝕。風(fēng)機(jī)系統(tǒng)集風(fēng)口處裝有鹽霧過濾器，濾除鹽霧顆粒，減少鹽霧對(duì)電氣設(shè)備的影響。集風(fēng)口截面與水平面垂直?？梢詼p少雨水或大顆粒塵埃在鹽霧過濾器上的殘留。

假設(shè)變頻器運(yùn)行環(huán)境溫度為30℃，則排出系統(tǒng)的空氣溫升不應(yīng)超過30℃，那么空氣密度參數(shù)選取60℃時(shí)ρ＝0.00106g/cm³，則風(fēng)機(jī)的氣流重量為w＝fρ＝530g/s。據(jù)此可得系統(tǒng)內(nèi)溫度與環(huán)境溫度差：

可以根據(jù)上述計(jì)算，需要選擇合適的散熱器才能實(shí)現(xiàn)熱量的散出。本發(fā)明選用的熱管散熱器自然冷卻時(shí)的熱阻rs-a約為0.027℃/w。

根據(jù)裝置結(jié)構(gòu)，熱阻rs-a的計(jì)算公式為：風(fēng)速大于3m/s時(shí)，依據(jù)熱阻rs-a的計(jì)算公式，熱管散熱器導(dǎo)熱率k為43.8w/(cm·℃)；d為2.4cm；s約為10000cm²；散熱器水平安裝，c1為0.5；軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)速約為3.33m/s，取系數(shù)c2為0.5；空氣流場(chǎng)以層流為主，取系數(shù)c3為0.15。散熱器熱阻rs-a約為0.014℃/w。

取環(huán)境溫度為30℃，根據(jù)熱阻等效電路，可得igbt散熱基板表面溫度為：

ts＝rs-aploss+ta＝60℃

綜上可知，為了保證排出系統(tǒng)的空氣溫升不應(yīng)超過30℃，igbt殼管溫度不超過100℃，軸流風(fēng)機(jī)的風(fēng)量不應(yīng)小于250m³/h且散熱器熱阻不應(yīng)大于0.033℃/w。為滿足裕量，本發(fā)明的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和海島大功率特種電源柜內(nèi)結(jié)構(gòu)布局及散熱器的選用滿足散熱要求。

如圖2所示，為本發(fā)明的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。海島大功率特種電源散熱系統(tǒng)包含：大功率特種電源柜體(4)，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)(1)、排風(fēng)系統(tǒng)(5)、換氣扇(6)。其中柜體內(nèi)的大功率特種電源系統(tǒng)主要由0.6mh輸出濾波電抗、并網(wǎng)電阻、熱管散熱器、igbt、直流側(cè)電容、直流電源、控制板組成。風(fēng)機(jī)系統(tǒng)包含集風(fēng)口(11)、軸流風(fēng)機(jī)(12)和送風(fēng)管道(13)，其中集風(fēng)口和軸流風(fēng)機(jī)置于室外。排風(fēng)系統(tǒng)包含排風(fēng)口(51)、排風(fēng)扇(52)和排風(fēng)管道(53)。機(jī)柜中的大功率特種電源系統(tǒng)含有金屬散熱器和大型濾波電感，所以相對(duì)較重，可以固定于角鋼支架(2)上。防靜電地板(3)也用角鋼支架固定，防靜電地板距地面高度為0.3m，送風(fēng)管道(13)從防靜電地板下穿過，向機(jī)柜送風(fēng)。

排風(fēng)系統(tǒng)用于將大功率特種電源柜的熱量排出室外，可以選用風(fēng)量為980m³/h，內(nèi)徑為30mm的排風(fēng)扇，排風(fēng)扇置于排風(fēng)口內(nèi)，排出的熱空氣經(jīng)排風(fēng)管道送出室外。

換氣扇安裝于距離地面3m高的墻上，起到維持空氣流通，保證室內(nèi)室外氣壓平衡的作用。換氣扇也裝設(shè)有鹽霧過濾器。

如圖3所示，為本發(fā)明的海島大功率特種電源柜立面圖。大功率特種電源柜體(4)高為2.2m，長(zhǎng)和寬都為0.8m。柜體內(nèi)包括大功率特種電源系統(tǒng)(41)、熱管散熱器(42)、散熱腔(43)和通風(fēng)網(wǎng)孔(44)，如圖6所示。

如圖4所示，為本發(fā)明熱管散熱器使用方式圖。如圖5所示為熱管散熱器前視圖。熱管散熱器(42)置于柜體內(nèi)據(jù)地面45cm高的支架上，熱管散熱器的散熱基板與igbt散熱基板緊貼，與水平面垂直；熱管散熱器上裝有2根熱管；熱管散熱器的熱管上裝有散熱葉片，熱管一端與散熱基板連接，熱管另一端高于與散熱器相接的一端，熱管與水平面的夾角為5°；散熱葉片與水平面垂直。送風(fēng)管道出風(fēng)口采用矩形結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)為60cm，寬為35cm，正對(duì)熱管散熱器，可以起到較佳效果。該設(shè)計(jì)便于新風(fēng)將散熱器上的熱量帶走。

散熱過程如下：

首先風(fēng)機(jī)系統(tǒng)由軸流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生新風(fēng)，通過送風(fēng)管道向大功率特種電源機(jī)柜輸送新風(fēng)，新風(fēng)直接送入柜體中，吹走大功率特種電源系統(tǒng)和散熱器上的熱量，再從柜體上方通風(fēng)孔排出，熱空氣再進(jìn)入排風(fēng)系統(tǒng)排風(fēng)口，依靠排風(fēng)扇和排風(fēng)管道與將熱風(fēng)送出室外，帶走海島大功率特種電源系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量，并完成機(jī)房?jī)?nèi)的通風(fēng)換氣。整體氣流流向如圖2中箭頭所示。

利用防靜電地板與支架形成風(fēng)道，節(jié)省了房間內(nèi)的空間，減少了房間內(nèi)噪音，同時(shí)大大提升了風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的效率，同時(shí)加速了大功率特種電源機(jī)柜的散熱。