中国建设信息化2023年2期

电力电子变流装置散热器状态智能预测方法

陈波

佛山市顺德区伊戈尔电力科技有限公司   528000

摘要：本文首先建立了散热器的稳态热阻和水力模型，对散热器散热能降低的机制进行了理论分析，指出了通道压力降低和表面换热系数的增加会使热阻增大；其次，以集中参数为基础，构建了散热器的工况预报模型和方案。

关键词：状态；电力；方法；电子；预测；变流；装置；智能；散热器

在电力电子换流设备中，温度是造成设备故障的重要因素，其中温度应力是造成电力设备故障的主要原因。温度是电力变流器可靠度的关键因素，温度越高，其可靠性和寿命也就越低。

散热器是变流器中的一个关键部件，它的功能是把设备的热及时地与外部环境进行交流，使设备工作在一个正常的温度区间，从而确保设备的安全和工作寿命。但是，在长时间的使用过程中，由于空气中的杂质会随着空气的流动而流入到散热器的空气通道，从而造成散热能力的降低，从而使电源设备在高温下工作，从而出现故障。

目前，我国铁路部门对散热器运行状况的监测主要是以人工周期性的方式进行，这种方式往往是在列车停运时进行的，而且由于周期性巡视的盲目性和人眼评价不够精确，导致了“过维护”、“欠维护”，并造成了大量的人员和维修费用。

在维修工作中，散热器的日常维修占了很大的比例。所以，对其进行性能预测，是确保其可靠运行，延长其使用寿命的关键环节，可以大大降低维修费用。

根据上述研究结果，针对目前的问题，从理论上分析了散热器的性能退化机制，并根据已有的变流器传感器，建立了一种新型的散热性能量在线监测模型，可以对散热器的运行状况进行实时监测，为运行决策提供依据，同时还可以对散热器进行状态检修，节约了大量的运行费用。

一、散热系统建模

1.散热器稳态热阻模型

散热器的热阻主要包括两个方面：散热基板的热阻和散热翅片的热阻。基板的热阻以导热系数为主，翅片的热阻主要由热传导热阻和翅片与液体之间的对流传热阻力组成。

图1是散热器的热网络构造，它被分成三个由衬底热电阻Rbase、散热翅片导热电阻Rc开关d、以及热传导热阻Rc开关v组成的Na−1热网，并分别用以下方式表示：

其中

图1

2.流体动力学模型

强制风冷式变流器的制冷系统是由散热器和散热风扇组成，其工作点是通过风扇的工作特性曲线与散热器的风管压力下降曲线来确定的，两者的交点是通过散热器的气流流速来确定的。

散热器的风扇压降为

散热器进口压力下降△Pinlet是由翅片之间的液体突然收缩引起的压力下降，其表示形式如下：

散热器出口压力下降ΔPoutlet是由翅片之间的液体突然膨胀引起的压力下降，其表示如下：

3.污垢对散热器性能的影响

在长时间的使用中，由于进气口的灰尘、污物的积聚和附着在散热翅片上，会使散热器的热辐射性能降低。污物粘在散热翅片的表面上，并且具有Sf的厚度。

当粉尘附着在散热翅片上，在风管中形成具有Sf厚度的污物时，Ea变成Ea+Sf，从而使散热器入口处的空气压力降ΔPinlet和ΔPoutlet增大，同时尘土使空气和内壁之间的粘性系数μair增加，水力直径dh降低，摩擦因数fair增加，从而使散热器通道中的摩擦压力降ΔPf增加，并且按照公式（13)，随着管道中的污物的积聚，整个散热器的压力降逐渐增大。

在不同的阻塞程度下，散热翅片的压力损失和热阻与流量之间的关系见图2。图2a中的ΔPhs(V)是在堵塞程度为0%,30%,50%,70%时，ΔPfan(V)是MGA8024UB-O25风扇的工作特性曲线，结果表明：当空气流量增加时，风扇的静压力ΔPfan(V)会逐渐降低，而当空气流量增加时，散热翅片的风道压降ΔPhs(V)明显地增加，两者之间的交叉点是风扇静止工作点。

图4

图2b示出了在0-90%阻塞情况下，散热器的稳态热阻与风扇风量之间的对应关系，表明：随着阻塞程度的加深，散热管的压差也随之增大，风扇必须供给更多的压力来克服散热管的压降，使流入散热翅片的冷却液流量减少，从而提高热阻值。在该表中，。

二、散热器状态在线预测模型

1.散热器的集总参数模型

如果不考虑散热器各个点的温度变化，利用该方法，可以获得集总参数热容的数学模型。从能量守恒的角度出发，得出了功率P0和瞬时热流为φ的功率。

根据非稳定内热源的热传导方程

在所述的耦合（18）和所述（19）中，所述功率装置在通电时的损失是P0，所述散热装置的非稳定状态热传导微分方程是：

微分方程的一般解是：散热器的温度，当温度满足时t=0、Δ=(0)时，一般式为：

与此类似，在电源设备关机时，其损失为0，散热器的热传导方程为：

微分方程的一般解是：散热器的温度，当温度满足时t=0，Δ=(0)时，一般式为：

2.状态预测模型

在散热器突发阻塞后，其功率维持不变，其表面换热系数变成，从而使恒定热电阻变成，热时间常数变成，在热时间常数t=，Δ=()时，散热器的温度变化微分方程是：

在稳定状态下，散热器的稳态热阻Rhs=1/(A)，其热阻抗的变化是：

通过监测热阻抗的变化，得到了不同阻塞情况下的热容和稳态热阻，利用该方法可以对热沉的阻塞情况进行判定，采用已有的变流器，通过对电压、电流、温度等参数的采集，对电力装置的功耗进行计算，在此基础上，利用热阻计算公式，通过集总参数模型，求出了目前阻塞情况下的热容量和稳态热阻；最后，通过对热管的稳态热阻、热容与阻塞程度的关系，对目前的工况进行了预测。

3.功率损耗计算模型

IGBT损失包括开关损失Pc开关d_Q1以及开关损失Psw_Q1。

通过开关损失以及切换损失来形成续流二极管的损失，并且该方法的计算步骤如下：

在三相二电平空间向量脉冲宽度调制（SVPWM）中，三相桥臂具有八种不同的切换方式,通过推导，得到了六个区域中各个向量的作用时间。

对Q1、VD4的通占占空比进行了计算，以第Ⅰ扇区为例，Q1导通时，A相电压为正，导通占空比为

当VD4处于接通状态时，A相位的电压是负的，而电流是正的，并且导通工作循环是这样的。

根据以上的方法，在每个扇区中，可以计算出Q1、VD4的接通工作周期。

该变流器的结构具有对称性，仅需要计算A桥臂电流为正时的换流管Q1和VD4，并与开关管的数目相乘即可求出全部变流器的功耗，这样，变流器的整体功耗损失为：

结论：散热器长期在复杂环境中工作，会造成散热性降低，其主要原因是由于积尘引起的风管压力降呈指数式增大，而风扇的P-Q曲线则决定了风扇所能供给的空气流量，从而使风管中的空气流量呈现指数递减，而灰尘就像是绝热材料，这两方面都造成了热传导系数的增大。

参考文献

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