風(fēng)電機(jī)組大功率電子元器件模塊的通風(fēng)散熱模擬與分析

2017-10-04 14:17:06 有限元之家　點(diǎn)擊量：評論 (0)

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組容量的迅速兆瓦化，其配件變頻器、變壓器以及電抗器等大功率電力電子器件的散熱問題變得越來越嚴(yán)重。本文利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件，采用有限體積法，以置入于固定空

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組容量的迅速兆瓦化，其配件變頻器、變壓器以及電抗器等大功率電力電子器件的散熱問題變得越來越嚴(yán)重。本文利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件，采用有限體積法，以置入于固定空間的散熱元器件進(jìn)行通風(fēng)散熱數(shù)值模擬，建立了不同的通風(fēng)冷卻方案，通過對各個(gè)方案的溫度和速度場分布來確定最佳通風(fēng)散熱技術(shù)方案。計(jì)算結(jié)果表明，CFD軟件能較好的模擬房間的速度和溫度分布，為風(fēng)電工程實(shí)施和電氣系統(tǒng)的安全與防護(hù)起到了一定的指導(dǎo)作用。

　　0 、引言

　　隨著社會各界對新能源需求的日益提高，風(fēng)力發(fā)電在新能源中所占的比重也在不斷加大。但是在風(fēng)電工程的項(xiàng)目建設(shè)中存在各式各樣的問題，風(fēng)電機(jī)組配件散熱就是其中的關(guān)鍵問題之一，特別是主要發(fā)熱元件電抗器的散熱問題，散熱不好將會嚴(yán)重地影響到電子器件的性能、可靠性和使用壽命[1]。因此，客觀、準(zhǔn)確地進(jìn)行散熱分析是促進(jìn)風(fēng)電工程規(guī)模化發(fā)展、大型風(fēng)電場建設(shè)的重要前提和保障。

　　本文以新疆華冉風(fēng)電項(xiàng)目為例，利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件，對放置風(fēng)力發(fā)電機(jī)組其配件變頻器、變壓器以及電抗器等大功率電力電子器件房間入口和出口布局的不同方案進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了的速度分布和溫度分布情況，并確定最后的優(yōu)化方案，得出的結(jié)論對風(fēng)電工程的實(shí)施具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

　　1 實(shí)際問題的提出

　　本文以設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的彩板房內(nèi)電氣設(shè)備布局為基礎(chǔ)，技術(shù)人員在其基礎(chǔ)上對房間內(nèi)部電子元器件的通風(fēng)形式進(jìn)行布置，具體設(shè)計(jì)方案為：進(jìn)風(fēng)采用扁平風(fēng)道彎頭式進(jìn)風(fēng)，出口均采用在墻壁上安裝軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行排風(fēng)，設(shè)定進(jìn)、出風(fēng)口為不同位置（其中方案1-4為入口采用直通式，方案5-6入口采用百葉窗可調(diào)節(jié)角度式）的通風(fēng)措施，原始設(shè)計(jì)方案三維模型如圖1所示。

　　彩板房內(nèi)部的形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但在數(shù)值計(jì)算中主要反映總體結(jié)構(gòu)的特性，為此對室內(nèi)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行簡化是必要的，設(shè)計(jì)方案的簡化模型如圖2至圖6所示：

　　(1)忽略電抗器周圍其他部件（例如桁架，電線等），僅考慮影響較大的擋板，并對13個(gè)電抗器作長方體考慮。

　　(2)不考慮軸流風(fēng)機(jī)實(shí)際模型，僅采用墻體設(shè)置出口代替軸流風(fēng)機(jī)排風(fēng)效應(yīng)。

　　2 CFD物理模型的參數(shù)設(shè)置

　　網(wǎng)格類型全部采用六面體網(wǎng)格，本次模型網(wǎng)格數(shù)量1257506 hexahedral cells，在設(shè)置不同出口位置的同時(shí)不改變內(nèi)部網(wǎng)格，只是對出口處網(wǎng)格進(jìn)行略微改變，以保證網(wǎng)格變化和數(shù)量誤差造成的計(jì)算結(jié)果誤差。

　　本次計(jì)算采用湍流模型采用工程普遍應(yīng)用的Realizable k-ε模型[2]，計(jì)算三維定常流場，入口流量為設(shè)計(jì)風(fēng)速1.82m/s，出口為壓力出口0Pa，變頻器給定極限溫度323k，電抗器和變壓器給定極限溫度為393k，其他壁面按絕熱處理。

　　方程中壓力一速度耦合采用SIMPLEC算法，方程中的動量離散格式采用Standard格式，其它方程差值格式選用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行求解[3-7]。

　　3 計(jì)算結(jié)果分析

　　3.1 流線圖分析

　　數(shù)值模擬出的流線速度圖可以看出整體流體流動現(xiàn)象，流線如圖7至13所示。通過方案1-3可以看出，在入口處，低溫氣體通過彎形管道流入彩板房內(nèi)，一部分氣體由于壁面效應(yīng)沿著壁面流動至出口，這部分氣體對散熱沒有起到有效作用；另外一部分氣體在內(nèi)部流動，在經(jīng)過變頻器、變壓器和電抗器周圍可以帶走個(gè)壁面產(chǎn)生的熱量。由于風(fēng)流動方向和電抗器的排列方向基本一致，在加上電抗器之間間距較小，導(dǎo)致在間隙之間流動性較差。

　　方案4-5這種設(shè)計(jì)方案符合氣流組織的設(shè)置形式，屬于側(cè)送側(cè)回的形式，是用的最多的氣流組織形式[8-9]。入口百葉窗為可調(diào)節(jié)角度，對方案4和方案5分別與入口水平方向成30度和45度分別進(jìn)行分析，看不同角度對電抗器間隙內(nèi)速度和溫度的影響。主要設(shè)計(jì)目的是調(diào)節(jié)百葉窗口的人流角使得空氣能噴射到電抗器處，從而對間隙內(nèi)進(jìn)行散熱。

　　3.2 速度和溫度分析

　　速度的大小是衡量散熱量的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)[10]，通過流線圖可以看到氣流在變頻器和變壓器周邊有較好的流動狀態(tài)，由于電抗器是主要發(fā)熱元件，因此對電抗器周邊的速度場和溫度場進(jìn)行分析，通過比較速度和溫度的大小來確定最佳方案。

　　通過速度云圖14和15可以看出，不同方案速度流場差別較大，速度最大處集中在出口處，由于入口處氣流向上流動，在頂部速度也較大。由于速度差別較大，從速度云圖上看不出具體的變化情況，故選取電抗器中間點(diǎn)進(jìn)行速度監(jiān)測，監(jiān)測點(diǎn)位置如圖15所示。

　　通過溫度云圖17可以看出，不同方案的溫度場分布并不相同，在電阻器周圍溫度分布較高，尤其在縫隙處存在著高溫區(qū)，主要是電阻器之間間隙較小，空氣不流通所致。

　　通過圖18和19可以看出，各個(gè)方案監(jiān)測點(diǎn)的位置速度和溫度分布不盡相同，對不同方案的各點(diǎn)進(jìn)行速度和溫度平均化（如表1所示）可以看到速度對溫度影響，即：速度大的地方溫度較低，速度小的地方溫度較高[11]。綜上所述，在同等流量下方案5-45平均速度要比最差方案大30%左右，平均溫度要比最高溫度低10°，由此可見預(yù)先對各種通風(fēng)散熱方案的CFD模擬是有必要的。

　　4 結(jié)論

　　影響房間氣流組織效果的因素有很多，其中送風(fēng)口和出風(fēng)口的位置對室內(nèi)氣流組織影響很大。通過用CFD軟件對風(fēng)電機(jī)組大功率電子元器件空間散熱模擬，研究了不同送回風(fēng)口型式對室內(nèi)速度場和溫度場的影響，分析后可得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

　　1)對室內(nèi)的流場數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析，可以直觀的得出室內(nèi)速度和溫度的分布，對所有方案進(jìn)行入口和出口位置的布局改進(jìn)，由速度和溫度變化確定方案5為最佳優(yōu)化方案，入口百葉窗給定入射口速度與水平方向角度為45度左右，考慮實(shí)際安裝成本問題也可以用方案2進(jìn)行替代。

　　2)盡量加大電抗器相互之間的縫隙，增加間隙內(nèi)空氣的流通性，進(jìn)而達(dá)到更好的換熱效果。由于障礙物的影響會對氣流流動有較大的影響，從而影響散熱效果，具體擺放位置要以能夠不阻擋對散熱元器件的氣流為主。

　　3)從計(jì)算結(jié)果來看，CFD軟件在對風(fēng)電配件散熱方面的分析是有現(xiàn)實(shí)意義的，具有成本低、速度快、可以對不同優(yōu)化方案的實(shí)施預(yù)測，對風(fēng)電工程實(shí)施和電氣系統(tǒng)的安全與防護(hù)起到了一定的指導(dǎo)作用。

責(zé)任編輯：lixin

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