文 | 梁瑞利，肖進(jìn)

塔基控制柜作為兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)一個(gè)重要的組成部分，為了保證塔基控制系統(tǒng)安全、可靠的運(yùn)行，塔基控制柜的熱設(shè)計(jì)已成為一個(gè)關(guān)注的焦點(diǎn)。塔基控制柜熱設(shè)計(jì)系統(tǒng)性能的好壞直接影響到電子元器件的工作狀態(tài)、工作性能以及工作壽命，從而影響整個(gè)風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因此塔基控制柜的熱設(shè)計(jì)與熱仿真是很有必要的。

為了對(duì)塔基控制柜散熱性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，仿真技術(shù)已成為一個(gè)不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)外熱分析軟件可分為兩類：第一類為一般的通用熱分析軟件，例如Flotm、Algor等，它們并不是根據(jù)電子設(shè)備的特點(diǎn)而編制的，但可用于電子設(shè)備的熱分析；第二類是專用的電子設(shè)備熱分析軟件，比如Icepak，是專門針對(duì)電子設(shè)備的特點(diǎn)開(kāi)發(fā)的，具有較大的靈活性。因此，本文選用ANSYS Icepak軟件對(duì)塔基控制柜溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，可以指導(dǎo)后續(xù)的熱改進(jìn)，加強(qiáng)柜內(nèi)的散熱速度，降低柜內(nèi)溫升，提高塔基控制柜的可靠性。

塔基控制柜組成

塔基控制柜柜體采用焊接式結(jié)構(gòu)形式，柜體四周采用Q235B碳鋼材料，表面噴塑處理。柜體由背板、頂板、底板、左側(cè)板、右側(cè)板、左門板以及右門板組成，柜內(nèi)結(jié)構(gòu)部分由主安裝板、左安裝板、線槽、導(dǎo)軌、各種電子元器件等組成。該塔基控制柜散熱方式采用自然冷卻。

使用PROE參數(shù)化建模軟件完成了塔基控制柜模型的建立，機(jī)箱的組成如圖1所示。外形尺寸為830mm×1110mm×385mm。

塔基控制柜熱設(shè)計(jì)分析

塔基控制柜的使用環(huán)境溫度為-40℃-40℃；冷卻方式：自然冷卻。各發(fā)熱電子元器件的參數(shù)如表1所示。

在高溫、潮濕、煙霧以及灰塵等惡劣環(huán)境條件下，塔基控制柜中的金屬材料會(huì)遭到腐蝕破壞，非金屬材料也容易老化和失效，導(dǎo)致電子元器件的性能降低，影響塔基控制柜的運(yùn)行，同時(shí)對(duì)柜體的電磁兼容性也有一定的相關(guān)要求，所以塔基控制柜采用四周密封的柜體，密封效果和防護(hù)等級(jí)也要達(dá)到一定的要求。

通過(guò)上述整個(gè)塔基控制柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局設(shè)計(jì)來(lái)看，內(nèi)部發(fā)熱電子元器件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量主要是從電子元器件的表面?zhèn)鬟f到柜體四周的壁面上，柜體外壁的熱量主要通過(guò)自然對(duì)流全部散出到外部空氣中；電子元器件與四周結(jié)構(gòu)件之間保持一定距離，至少是13mm，以利于增強(qiáng)自然對(duì)流的效果；對(duì)于熱量大的元器件放置在柜體頂部，比如PLC模塊，對(duì)于熱量小的元器件放置在柜體底部；各發(fā)熱元器件要盡量做到均一分布，以免引起熱源集中；對(duì)于熱敏元器件要盡量遠(yuǎn)離發(fā)熱量大的元器件。

圖1 塔基控制柜的模型

通過(guò)計(jì)算柜體外壁與外部空氣自然對(duì)流散熱的熱流密度可以分析整個(gè)塔基控制柜的散熱情況。柜體內(nèi)12個(gè)發(fā)熱元器件的總功耗為：

式中Q1為電源模塊的熱耗，10W；Q2為處理器模塊的熱耗，11W；依此類推，Q12為電網(wǎng)監(jiān)視器的熱耗，8W。

柜體穩(wěn)態(tài)下散熱表面的熱流密度為：

式中，A為柜體散熱總面積，經(jīng)計(jì)算A＝16682 cm2。

由表2可知，φ＜0.039 W/ cm2，因此整個(gè)塔基控制柜可以考慮以自然冷卻的方式來(lái)散熱。

塔基控制柜自然冷卻的仿真計(jì)算

一、熱模型的建立

根據(jù)塔基控制柜的結(jié)構(gòu)，建立熱仿真模型，首先使用ANSYS DesignModeler 模塊將由PROE導(dǎo)入的塔基控制柜模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，略去螺釘、螺母、倒角、圓角、安裝孔等不影響熱流路徑的局部細(xì)節(jié)，然后通過(guò)ANSYS Workbench 平臺(tái)將DesignModeler簡(jiǎn)化后的模型導(dǎo)入到ANSYS Icepak中進(jìn)行熱仿真。簡(jiǎn)化后的模型如圖2所示。

圖2 塔基控制柜熱分析簡(jiǎn)化模型

表1 電子元器件參數(shù)

表2 冷卻方法的選擇標(biāo)準(zhǔn)

圖3 柜體外壁的溫度云圖

圖4 XY切面的溫度分布云圖

圖5 電子元器件的溫度云圖

圖6 XY切面速度矢量圖

表3 PLC模塊溫度分布表

二、熱模型邊界條件的輸入

熱模型的環(huán)境溫度設(shè)為40℃；散熱方式為自然冷卻，整個(gè)塔基控制柜參與輻射換熱，輻射換熱溫度為40℃；柜內(nèi)為自然對(duì)流，其流態(tài)為湍流；輸入柜體、各電子元器件以及其他組件等相關(guān)的設(shè)計(jì)尺寸和材料屬性；輸入各電子元器件相應(yīng)的熱耗；輸入自然冷卻換熱系數(shù)10W/m2·K（自然冷卻換熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值）。

三、熱仿真計(jì)算結(jié)果

在環(huán)境溫度為40℃時(shí)，整個(gè)柜體達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度分布狀態(tài)如圖3所示，柜體最高溫度為49.2℃，安裝在柜體上的觸摸式平板電腦的最高溫度為49.4℃，由溫度分布情況可知，柜體的熱源主要集中在頂板上。

圖4為XY切面的溫度分布云圖，圖5為電子元器件的溫度云圖。由圖可知，切面的最高溫度為70.1℃，柜內(nèi)熱量主要集中在PLC模塊周圍部分，PLC模塊的最高溫度如表3所示。由表3可知，PLC模塊周圍存在局部過(guò)熱現(xiàn)象，其最高溫度超過(guò)了模塊允許溫度，因此后續(xù)要對(duì)PLC模塊局部范圍進(jìn)行熱改進(jìn)，比如采用結(jié)構(gòu)改進(jìn)方式或強(qiáng)迫風(fēng)冷的方式。

圖6為XY切面速度矢量圖，由圖可知，切面上流體的最大速度為0.17m/s，可以看出整個(gè)柜體外壁的整體流速比較大，說(shuō)明整個(gè)塔基控制柜主要是通過(guò)外壁與外部空氣進(jìn)行自然對(duì)流實(shí)現(xiàn)散熱，而且成為最主要的熱流路徑。

結(jié)論

通過(guò)分析整個(gè)塔基控制柜的散熱情況、計(jì)算自然冷卻條件下的熱流密度，使用ANSYS DesignModeler簡(jiǎn)化熱仿真模型，并使用ANSYS Icepak軟件對(duì)整個(gè)塔基控制柜進(jìn)行熱仿真分析，最后獲得了整個(gè)塔基控制柜系統(tǒng)熱平衡狀態(tài)的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)以及各電子元器件的最高溫度。根據(jù)熱設(shè)計(jì)分析和熱仿真計(jì)算，可以得到以下結(jié)論：

塔基控制柜在自然冷卻的情況下，最高環(huán)境溫度為40℃時(shí)，塔基控制柜達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)時(shí)的熱流密度小于自然冷卻的標(biāo)準(zhǔn)值；從整個(gè)仿真分析結(jié)果來(lái)看，整個(gè)塔基控制柜主要通過(guò)柜體外壁與外部空氣進(jìn)行對(duì)流換熱，但從溫度分布情況來(lái)看，頂部PLC模塊周圍局部過(guò)熱，主要是由于熱源集中，熱量無(wú)法完全通過(guò)自然對(duì)流散出去，因此后續(xù)主要是采取熱結(jié)構(gòu)改進(jìn)或強(qiáng)迫風(fēng)冷的方式對(duì)頂部PLC模塊進(jìn)行散熱。熱仿真分析可以為后續(xù)熱改進(jìn)提供一個(gè)準(zhǔn)確的方向，同時(shí)也為其他電子設(shè)備的熱仿真分析提供相關(guān)的參考。

攝影：王志遠(yuǎn)