基于一体化模型的矿用变频器散热性能分析

作者

王越史晗荣相蒋德智
单位

中煤科工集团常州研究院有限公司天地（常州）自动化股份有限公司
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630 kW/1 140 V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：(1)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。(2)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200 s，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。(3)各功率器件在2～3 h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
基金项目(Foundation)

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[2019]704-001）；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）；
引用格式

王越,史晗,荣相,蒋德智.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(02):115-124.DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.18017.
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