基于一体化模型的矿用变频器散热性能分析_王越.pdf

基于一体化模型的矿用变频器散热性能分析王越1，2，史晗1，2，荣相1，2，蒋德智1，2（1.中煤科工集团常州研究院有限公司，江苏常州213015；2.天地（常州）自动化股份有限公司，江苏常州213015）摘要：矿用变频器空间密闭，运行过程中内部功率器件自身会产生大量热量，易产生热退化和热失效现象。现有研究主要是针对矿用变频器某类功率器件或散热器进行单独分析，未考虑它们相互之间的热交换作用，且现有研究与矿用变频器运行状态的结合不够紧密，导致生热和传热过程与实际情况偏差较大，降低了散热性能分析的准确度和全面性。针对上述问题，以 630kW/1140V 四象限矿用变频器为研究对象，基于一体化模型对矿用变频器散热性能进行分析。建立了考虑等效电阻的矿用变频器主电路拓扑模型，分析母排与电缆、充/放电电阻、吸收电阻、IGBT 模块、输出电抗器的电气特性并计算功率损耗。采用强制水冷+风冷+自然冷却方式对矿用变频器的散热系统进行优化设计。将 IGBT 模块、吸收电阻置于水冷散热器的基板上，配置风机加速输出电抗器的热交换效率，其他功率器件则自然散热。基于一体化模型对矿用变频器内部温度场特性、对流换热特性进行数值模拟分析，并搭建矿用变频器加载试验平台验证基于一体化模型的温度场仿真的正确性及散热设计的有效性。结果表明：在内部功率器件的传导、对流及辐射换热作用下，隔爆外壳的温度高于环境温度，最低为 36，且后基板的温度高于其他隔爆面，最高可达 70。矿用变频器内部组件均未超过 80，远低于相关标准规定值，具有良好的散热性能。IGBT 模块的温度最高，机心母排组件的温度次之，直流滤波电容组件的温度最低。充电过程中功率器件产生了较大的损耗，但由于充电时间极短，该损耗不会引起温度的剧烈变化，功率器件的瞬时温度最高不超过59；放电电阻的瞬时温度最高可达 267，100 以上的作用时间为 200s，梯形铝壳电阻的耐高温冲击能力可满足该应用场景，且未形成热应力循环，不会产生热击穿、热失效现象。各功率器件在 23h 后温度逐渐趋于稳定，各标定测温点的实验与仿真结果在整体趋势上保持较好的一致性。关键词：矿用变频器；一体化模型；散热性能；温度场特性；功率器件中图分类号：TD608文献标志码：AAnalysisofheatdissipationperformanceofmineinverterbasedontheintegratedmodelWANGYue1,2,SHIHan1,2,RONGXiang1,2,JIANGDezhi1,2(1.CCTEGChangzhouResearchInstitute,Changzhou213015,China；2.Tiandi(Changzhou)AutomationCo.,Ltd.,Changzhou213015,China)Abstract:Thespaceofthemineinverterisclosed.Theinternalpowerdeviceitselfwillproducealotofheatin the operation process,which is easy to produce thermal degradation and thermal failure.In the existingresearch,acertainpowerdeviceoraradiatorofthemineinverterisanalyzedindependently.Theheatexchangeeffectamongthepowerdeviceortheradiatorisnotconsidered.Thecombinationwiththerunningstateofthemineinverterisnotcloseenough.Therefore,thedeviationbetweentheheatgenerationandheattransferprocessesand the actual situation is large.This reduces the accuracy and comprehensiveness of the heat dissipationperformanceanalysis.Inordertotheaboveproblems,takingthe630kW/1140Vfour-quadrantmineinverteras收稿日期：2022-08-22；修回日期：2023-01-12；责任编辑：王晖，郑海霞。基金项目：国家级安全生产监管监察技术支撑能力建设项目（发改投资2019704-001）；天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项产学研科技合作项目（2020-2-TD-CXY003）。作者简介：王越（1994），男，山西阳泉人，硕士，现主要从事矿用电气产品研发工作，E-mail:。引用格式：王越，史晗，荣相，等.基于一体化模型的矿用变频器散热性能分析J.工矿自动化，2023，49（2）：115-124.WANGYue,SHIHan,RONGXiang,etal.AnalysisofheatdissipationperformanceofmineinverterbasedontheintegratedmodelJ.JournalofMineAutomation，2023，49（2）：115-124.第49卷第2期工矿自动化Vol.49No.22023年2月JournalofMineAutomationFeb.2023文章编号：1671251X（2023）02011510DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.18017theresearchobject,theheatdissipationperformanceofthemineinverterisanalyzedbasedonintegratedmodel.Atopologicalmodelofthemaincircuitofthemineinverterconsideringequivalentresistanceisestablished.Theelectricalcharacteristicsofthebusbarandthecable,thecharge/dischargeresistance,theabsorptionresistance,theIGBTmoduleandtheoutputreactorareanalyzed,andthepowerlossiscalculated.Thecoolingsystemoftheinverter is optimized by forced water cooling+air cooling+natural cooling.The IGBT module and theabsorptionresistorarearrangedonthesubstrateofthewater-coolingradiator.Thefanisconfiguredtoacceleratetheheatexchangeefficiencyoftheoutputreactor,andotherpowerdevicesdissipateheatnaturally.Basedontheintegratedmodel,thetemperaturefieldcharacteristicsandheattransfercharacteristicsofthemineinverterarenumericallysimulatedandanalyzed.Thecorrectnessofthetemperaturefieldsimulationbasedontheintegratedmodelandtheeffectivenessoftheheatdissipationdesignareverifiedbybuildingtheloadingtestplatformofmineinginverter.Theresultsshowthefollowingpoints.Undertheheattransferofconduction,convectionandradiationoftheinternalpowerdevices,thetemperatureoftheflameproofenclosureishigherthantheambienttemperature.Thelowesttemperatureis36.Thetemperatureoftherearsubstrateishigherthanthatoftheotherflameproofsurfaces,andthehighesttemperaturecanreach70.Thetemperatureoftheinternalcomponentsofthemineinverterisnothigherthan80,whichisfarlowerthanthespecifiedvalueofrelevantstandards.Themine inverter has good heat dissipation performance.The temperature of IGBT module is the highest,thetemperatureofthebusbarassemblyisthesecond,andthetemperatureoftheDCfiltercapacitorassemblyisthelowest.Thepowerdeviceintheprocessofcharginghasalargerloss.Butbecauseoftheshortchargingtime,thelosswillnotcauseseverechangesintemperature.Theinstantaneoustemperatureofthepowerdeviceisnotmorethan59.Themaximuminstantaneoustemperatureofthedischargeresistancecanreach267,andtheactiontimeabove100is200seconds.Thehigh-temperatureimpactresistanceofthetrapezoidalaluminumshellresistorcanmeettheapplicationscenario.Itdoesnotformathermalstresscycle,andwillnotproducethermalbreakdownandthermalfailure.Thetemperatureofeachpowerdevicetendstobestablegraduallyafter2-3h.Theexperimentalandsimulationresultsofeachcalibrationtemperaturemeasurementpointkeepgoodconsistencyintheoveralltrend.Key words:mineinverter;integratedmodel;heatdissipationperformance;temperaturefieldcharacteristics;powerdevice 0引言矿用变频器对推动煤矿智能化开采、提升煤矿安全化生产、助力煤矿绿色化发展、加快形成煤炭工业“十四五”高质量发展新格局起到至关重要的作用1-3。矿用变频器空间密闭，运行过程中内部功率器件自身会产生大量热量，导致升温效应显著，可靠性降低，易产生热退化和热失效现象4-5。因此，必须对矿用变频器进行有效的散热设计和准确的散热性能分析。矿用变频器内部功率器件种类繁多，包括真空交流接触器、母排与电缆、直