鄧 超 ，郭金童 ，曾文彬 ，董 超 ，陳本龍 ，孫文偉 ，趙 耿

（株洲中車時(shí)代半導(dǎo)體有限公司，湖南 株洲 421001）

0 引言

高壓軟啟動(dòng)裝置在電機(jī)啟動(dòng)或停車時(shí)，能通過(guò)改變電機(jī)上的電源電壓使其逐漸加速或減速，以降低啟動(dòng)電流與啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)平滑啟動(dòng)或停車，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊以及對(duì)設(shè)備的傷害[1]。高壓軟啟動(dòng)模塊為高壓軟啟動(dòng)裝置的重要組成部分，一般為反并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，不同的散熱器及壓裝結(jié)構(gòu)對(duì)其散熱有較大的影響[2]。

本文按照電機(jī)的實(shí)際工況對(duì)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的反并聯(lián)模塊進(jìn)行了仿真計(jì)算，討論了該結(jié)構(gòu)應(yīng)用于此工況存在的不足，提出了改進(jìn)方案并證明了方案的可行性。

1 熱學(xué)結(jié)構(gòu)改善

1.1 標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)型材散熱器熱仿真

基于標(biāo)準(zhǔn)化型材散熱器壓裝的高壓軟啟動(dòng)模塊，其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。一個(gè)模塊壓裝兩只反并聯(lián)的元件，每只元件均以兩根壓桿施加壓力。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)反并聯(lián)結(jié)構(gòu)模型

由于模塊中的晶閘管元件為反并聯(lián)形式，兩只元件交替工作，故晶閘管的功耗一直都在發(fā)生變化。為減少仿真計(jì)算量，將正弦波在一個(gè)周期內(nèi)的發(fā)熱量平均至一個(gè)周期作為平均功率，可按照以下公式計(jì)算[3]：

式中，VTM表示通態(tài)峰值電壓，Ⅴ；VTO表示門檻電壓，Ⅴ；IAV表示平均電流，A。

按照上述公式，可得單只KPX 1300-65元件的功率為1 195 W。將以上模型導(dǎo)入熱仿真軟件，設(shè)置各材料的物性參數(shù)[4]。前30 s內(nèi)，兩只元件給定的功率均為1 195 W，其余時(shí)間為自然冷卻狀態(tài)，可得整個(gè)組件在30 s時(shí)的溫度分布云圖，如圖2所示。此時(shí)，高溫區(qū)域多分布于與元件臺(tái)面直接接觸的部分，包括散熱器基板和豎直排列的翅片，而兩側(cè)用于外接電路的斜翅片則對(duì)短時(shí)散熱未起到多大作用。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)反并聯(lián)結(jié)構(gòu)30 s溫度分布云圖

1.2 改進(jìn)結(jié)構(gòu)型材散熱器熱仿真

標(biāo)準(zhǔn)型材散熱器有翅片數(shù)量少、間距寬的特點(diǎn)，通常可用于長(zhǎng)期通流的工況。而高壓軟啟動(dòng)具有短時(shí)、間歇啟動(dòng)的特點(diǎn)，元件在工作時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱損耗無(wú)法快速地?cái)U(kuò)散出去。因此，有必要去掉斜翅片，同時(shí)增加豎直翅片的數(shù)量，使其更多地分布于對(duì)稱軸的位置。為了達(dá)到最佳的散熱效果，其翅片厚度由基板向上逐漸減少，同時(shí)，翅片上還可布置波浪紋以增大散熱面積[5]。

改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)如圖3所示，模塊采用單面絕緣的方式，壓桿數(shù)量由兩根增加至四根，每根螺桿使用一個(gè)絕緣套杯，以包裹平墊圈和錐形墊圈。兩散熱器在長(zhǎng)度方向錯(cuò)位，以增大電氣間隙，同時(shí)，兩只上散熱器變?yōu)橐恢簧仙崞鳎瑹o(wú)需增加額外的連接排。

圖3 改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)模型

將以上模型導(dǎo)入熱仿真軟件，可得到改進(jìn)后的模塊30 s溫度分布云圖，如圖4所示。由圖4可知，采用該結(jié)構(gòu)形式的散熱器之后，在30 s時(shí)，散熱器上的溫度分布更均勻，表示溫度能夠有效地傳導(dǎo)至散熱器的基座和翅片。同時(shí)，與下散熱器相比，上散熱器的翅片會(huì)更分布于元件臺(tái)面周圍，因此溫度分布更為均勻，翅片的利用率更高。

圖4 改進(jìn)后的模塊30 s溫度分布云圖

將改進(jìn)前、后模型的結(jié)溫放到對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖中進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。由圖5可知，在給定功耗的前30 s內(nèi)，改進(jìn)后的結(jié)溫明顯更低；但在通流結(jié)束后的30 s～60 s內(nèi)，改進(jìn)前的結(jié)溫下降速率更大；至1 h時(shí)，改進(jìn)前的結(jié)溫基本能夠恢復(fù)至室溫，而改進(jìn)后的結(jié)溫溫升仍有7 ℃。這是因?yàn)楦倪M(jìn)后的散熱器整體體積減小，熱容量也相應(yīng)地降低，而在自然冷卻的條件下，元件在短時(shí)間內(nèi)更多地依靠散熱器的大熱容吸熱來(lái)降低整體模塊的平均溫度[6]，因而散熱器體積越大，在該時(shí)間段內(nèi)的溫度下降得也越快。

2 力學(xué)結(jié)構(gòu)改善

2.1 有限元仿真分析

采用改進(jìn)的結(jié)構(gòu)后，由于上散熱器變?yōu)橐粋€(gè)整體，兩只元件厚度的差異可能影響整體的壓裝均勻性。故本文提出在兩個(gè)臺(tái)面的中間切割一道槽，既能保證散熱器的連接通流，又能保證壓力的均勻，割槽后剩余的截面積須滿足上散熱器通流所需的最小面積。

分別對(duì)上散熱器為連體結(jié)構(gòu)以及切槽結(jié)構(gòu)使用靜力學(xué)軟件進(jìn)行仿真。元件與散熱器接觸的臺(tái)面采用庫(kù)倫摩擦模型，摩擦系數(shù)取0.1；固定下散熱器的連接孔，對(duì)上散熱器每根螺桿的位置施加的力為12.5 kN。

切槽模塊整體形變?cè)茍D如圖6所示，可見(jiàn)：上散熱器較下散熱器的形變更大，這和翅片的布置有很大的關(guān)系。翅片在提供散熱的同時(shí)也充當(dāng)了加強(qiáng)筋的作用，下散熱器的翅片分布在整個(gè)臺(tái)面，可抑制臺(tái)面在長(zhǎng)度方向上的形變；而上散熱器的翅片集中分布在臺(tái)面中央，對(duì)臺(tái)面周邊形變的抑制作用較弱。因此，在仿真和試驗(yàn)時(shí)，元件上臺(tái)面的壓力均勻性可能會(huì)更差，應(yīng)加強(qiáng)關(guān)注。

元件上臺(tái)面的壓力分布云圖如圖7所示。其中，圖7（a）對(duì)應(yīng)連體結(jié)構(gòu)，圖7（b）對(duì)應(yīng)切槽結(jié)構(gòu)。由圖7可知，連體結(jié)構(gòu)在靠近模塊中心位置時(shí)，元件所受的壓力較小，壓力較小的區(qū)域呈現(xiàn)出橢球狀，表明其存在較為嚴(yán)重的壓力不均勻問(wèn)題；而切槽結(jié)構(gòu)的壓力均勻性得到了明顯改善。

圖7 元件上臺(tái)面應(yīng)力分布云圖

2.2 壓力均勻性試驗(yàn)

功率模塊一般采用力矩緊固，而螺栓材質(zhì)、潤(rùn)滑介質(zhì)及用量等因素均會(huì)影響螺紋摩擦系數(shù)[7-10]，因此，在做壓力均勻性試驗(yàn)前，有必要確定壓力與力矩的對(duì)應(yīng)關(guān)系。采用FUJIFILM（富士）低壓型號(hào)感壓紙作為壓力顯色試紙，放置在元件上下臺(tái)面，按照試驗(yàn)得到的力矩值加力，可得到如圖8所示的結(jié)果。由圖8可知，壓敏試紙顯色區(qū)域呈均勻紅色，表明元件臺(tái)面受力均勻，滿足使用要求。

圖8 元件臺(tái)面壓力均勻性試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

本文建立了高壓軟啟動(dòng)模塊的熱學(xué)和力學(xué)仿真模型，按照實(shí)際工況進(jìn)行了熱仿真，并且針對(duì)軟啟動(dòng)工況的特點(diǎn)提出了模塊小型化的改進(jìn)建議，通過(guò)進(jìn)一步的仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的正確性和可行性。得到以下結(jié)論：1）直肋散熱器更適宜于1 min以內(nèi)的短時(shí)工況，針對(duì)通流時(shí)間較長(zhǎng)的工況，該結(jié)構(gòu)的熱容較小，并不具備優(yōu)勢(shì)。2）將上散熱器兩只元件之間割一道槽，可以有效地減少上散熱器臺(tái)面之間的粘連，從而得到更為均勻的壓裝效果。