高壓軟啟動反并聯(lián)模塊的輕量化設(shè)計

鄧 超 ，郭金童 ，曾文彬 ，董 超 ，陳本龍 ，孫文偉 ，趙 耿

（株洲中車時代半導體有限公司，湖南 株洲 421001）

0 引言

高壓軟啟動裝置在電機啟動或停車時，能通過改變電機上的電源電壓使其逐漸加速或減速，以降低啟動電流與啟動轉(zhuǎn)矩，從而實現(xiàn)電機平滑啟動或停車，減少對電網(wǎng)的沖擊以及對設(shè)備的傷害[1]。高壓軟啟動模塊為高壓軟啟動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)對其散熱有較大的影響[2]。

本文按照電機的實際工況對標準結(jié)構(gòu)的反并聯(lián)模塊進行了仿真計算，討論了該結(jié)構(gòu)應(yīng)用于此工況存在的不足，提出了改進方案并證明了方案的可行性。

1 熱學結(jié)構(gòu)改善

1.1 標準結(jié)構(gòu)型材散熱器熱仿真

基于標準化型材散熱器壓裝的高壓軟啟動模塊，其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。一個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 標準反并聯(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。為減少仿真計算量，將正弦波在一個周期內(nèi)的發(fā)熱量平均至一個周期作為平均功率，可按照以下公式計算[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，其余時間為自然冷卻狀態(tài)，可得整個組件在30 s時的溫度分布云圖，如圖2所示。此時，高溫區(qū)域多分布于與元件臺面直接接觸的部分，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短時散熱未起到多大作用。

圖2 標準反并聯(lián)結(jié)構(gòu)30 s溫度分布云圖

1.2 改進結(jié)構(gòu)型材散熱器熱仿真

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

改進后的結(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，每根螺桿使用一個絕緣套杯，以包裹平墊圈和錐形墊圈。兩散熱器在長度方向錯位，以增大電氣間隙，同時，兩只上散熱器變?yōu)橐恢簧仙崞鳎瑹o需增加額外的連接排。

圖3 改進后的結(jié)構(gòu)模型

將以上模型導入熱仿真軟件，可得到改進后的模塊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，散熱器上的溫度分布更均勻，表示溫度能夠有效地傳導至散熱器的基座和翅片。同時，與下散熱器相比，上散熱器的翅片會更分布于元件臺面周圍，因此溫度分布更為均勻，翅片的利用率更高。

圖4 改進后的模塊30 s溫度分布云圖

將改進前、后模型的結(jié)溫放到對數(shù)坐標圖中進行對比，如圖5所示。由圖5可知，在給定功耗的前30 s內(nèi)，改進后的結(jié)溫明顯更低；但在通流結(jié)束后的30 s～60 s內(nèi)，改進前的結(jié)溫下降速率更大；至1 h時，改進前的結(jié)溫基本能夠恢復至室溫，而改進后的結(jié)溫溫升仍有7 ℃。這是因為改進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，元件在短時間內(nèi)更多地依靠散熱器的大熱容吸熱來降低整體模塊的平均溫度[6]，因而散熱器體積越大，在該時間段內(nèi)的溫度下降得也越快。

2 力學結(jié)構(gòu)改善

2.1 有限元仿真分析

采用改進的結(jié)構(gòu)后，由于上散熱器變?yōu)橐粋€整體，兩只元件厚度的差異可能影響整體的壓裝均勻性。故本文提出在兩個臺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。

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

切槽模塊整體形變云圖如圖6所示，可見：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也充當了加強筋的作用，下散熱器的翅片分布在整個臺面，可抑制臺面在長度方向上的形變；而上散熱器的翅片集中分布在臺面中央，對臺面周邊形變的抑制作用較弱。因此，在仿真和試驗時，元件上臺面的壓力均勻性可能會更差，應(yīng)加強關(guān)注。

元件上臺面的壓力分布云圖如圖7所示。其中，圖7（a）對應(yīng)連體結(jié)構(gòu)，圖7（b）對應(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，元件所受的壓力較小，壓力較小的區(qū)域呈現(xiàn)出橢球狀，表明其存在較為嚴重的壓力不均勻問題；而切槽結(jié)構(gòu)的壓力均勻性得到了明顯改善。

圖7 元件上臺面應(yīng)力分布云圖

2.2 壓力均勻性試驗

功率模塊一般采用力矩緊固，而螺栓材質(zhì)、潤滑介質(zhì)及用量等因素均會影響螺紋摩擦系數(shù)[7-10]，因此，在做壓力均勻性試驗前，有必要確定壓力與力矩的對應(yīng)關(guān)系。采用FUJIFILM（富士）低壓型號感壓紙作為壓力顯色試紙，放置在元件上下臺面，按照試驗得到的力矩值加力，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，表明元件臺面受力均勻，滿足使用要求。

圖8 元件臺面壓力均勻性試驗結(jié)果

3 結(jié)論

本文建立了高壓軟啟動模塊的熱學和力學仿真模型，按照實際工況進行了熱仿真，并且針對軟啟動工況的特點提出了模塊小型化的改進建議，通過進一步的仿真和試驗驗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)的短時工況，針對通流時間較長的工況，該結(jié)構(gòu)的熱容較小，并不具備優(yōu)勢。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面之間的粘連，從而得到更為均勻的壓裝效果。