Cálculo de la resistencia térmica de refrigeración por agua del radiador IGBT de alta potencia

Cálculo de la resistencia térmica de refrigeración por agua del radiador IGBT de alta potencia

Resumen: Para optimizar la capacidad de disipación de calor del radiador enfriado por agua y garantizar su funcionamiento confiable, se citan los principios y fórmulas básicos en la transferencia de calor, y las dimensiones mecánicas de la forma del radiador, el coeficiente de transferencia de calor por convección forzada del agua. y la conductividad térmica del agua se utilizan como parámetros y las variables derivan la fórmula para calcular la resistencia térmica de refrigeración por agua del disipador de calor.Al mismo tiempo, para cumplir con la aplicación práctica, se ha desarrollado un software especial de dibujo de curvas y cálculo de resistencia térmica del radiador refrigerado por agua, que puede mostrar varias curvas de resistencia térmica que cambian con los cambios de parámetros, y también puede calcular y mostrar directamente valores de resistencia térmica.Proporciona una referencia intuitiva y conveniente para la selección óptima de parámetros en el diseño del radiador.

Palabras clave: radiador refrigerado por agua;cálculo de resistencia térmica;software;radiador IGBT de alta potencia

La locomotora eléctrica Harmony es una locomotora eléctrica con inversor AC-DC-AC que utiliza tecnología de semiconductores de alta potencia.Debido a sus características técnicas, como la regulación avanzada de la velocidad de conversión de frecuencia de CA, el frenado regenerativo, el control del motor de CA de alta potencia y el alto grado de automatización, se usa ampliamente en locomotoras de alta velocidad y alta potencia en el transporte de líneas troncales ferroviarias.El convertidor de cada locomotora utiliza tres tipos de módulos IGBT, a saber: módulo chopper de cuatro cuadrantes (4QC), módulo inversor del lado del motor (Inv) y módulo inversor auxiliar.Investigó las fallas de 305 convertidores de locomotoras eléctricas HXD1B en cierto depósito de locomotoras desde julio de 2009 hasta el 4 de mayo de 2011 y encontró que un total de 4880 módulos estaban en uso, con 255 fallas, y el número de fallas El módulo IGBT muestra que en al menos un chip IGBT ha fallado.Hasta el momento, no ha habido fallas en los módulos causadas por razones distintas a los dispositivos semiconductores de potencia.Este tipo de falla aumenta con el aumento de la temperatura ambiente estacional.Se puede inferir que la falla de los IGBT está íntimamente relacionada con su disipación de calor, por lo que el enfriamiento y el calor digital de los dispositivos electrónicos se han convertido en uno de los focos de investigaciones posteriores.Al estudiar los problemas de enfriamiento y disipación de calor del dispositivo, se optimizan y transforman las condiciones de disipación de calor para que pueda funcionar el mayor tiempo posible en un ambiente con una temperatura adecuada y reducir la incidencia de accidentes, que juega un papel importante en mantener la operación segura de las locomotoras ferroviarias.

En este documento, a través del análisis del proceso de disipación de calor del radiador IGBT de alta potencia, primero se citan los principios y fórmulas básicos en la transferencia de calor, y el cálculo de la resistencia térmica se divide en la resistencia térmica de conducción de calor generada por el sólido proceso de transferencia de calor en el radiador y el radiador y el sistema de refrigeración.La resistencia térmica de transferencia de calor por convección producida por el proceso de transferencia de calor entre los líquidos es de dos partes, y el cálculo de la resistencia térmica de refrigeración por agua del radiador se deduce tomando el tamaño mecánico de la forma del radiador, el coeficiente de transferencia de calor por convección forzada del agua y el coeficiente de conductividad térmica del agua como fórmula de parámetros y variables.Para simplificar el análisis, se compiló un software para los cálculos de resistencia térmica.El software tiene una interfaz de operación simple y clara, que puede mostrar varias curvas de resistencia térmica que cambian con los parámetros, y también puede calcular y mostrar directamente los valores de resistencia térmica.Proporciona una referencia intuitiva y conveniente para el análisis de diseño del radiador.

1 Fórmulas básicas y principios de transferencia de calor.

1.1 El principio y forma básica de transferencia de calor.

La fórmula básica para la conducción del calor es:

Q=KA△T／△L (1)

En la fórmula, Q representa el calor, es decir, el calor generado o conducido por conducción de calor;K es el coeficiente de conductividad térmica del material.△T representa la diferencia de temperatura entre los dos extremos;△L es la distancia entre los dos extremos.La convección se refiere a la transferencia de calor en la que un fluido (gas o líquido) entra en contacto con una superficie sólida, lo que hace que el fluido elimine el calor de la superficie sólida.

La fórmula para la convección de calor es:

Q=hA△T (2)

En la fórmula: Q todavía representa calor, es decir, el calor sustraído por convección de calor;h es el valor del coeficiente de convección de calor;A es el área de contacto efectiva de la convección de calor;△T representa la diferencia de temperatura entre la superficie sólida y el fluido regional.

1.2 Cálculo de la resistencia térmica

La resistencia térmica representa la resistencia en el proceso de conducción de calor y es un parámetro completo que refleja la capacidad de prevenir la transferencia de calor.Para simplificar el análisis, después de simplificar el modelo del radiador, se considera que existen dos formas de resistencia térmica de transferencia de calor por convección y resistencia térmica por conducción térmica.Hay una resistencia térmica de conducción de calor en la placa plana del disipador de calor.La fórmula de cálculo es:

Rnd=L／KA (3)

En la fórmula: L representa el espesor de la placa del radiador;K representa la conductividad térmica de la placa de aluminio;A representa el área de la sección transversal perpendicular a la dirección del flujo de calor, es decir, el área de la placa.

La resistencia térmica entre el agua en el radiador y el disipador de calor es la resistencia térmica de transferencia de calor por convección.La fórmula de cálculo es:

Rnv=1/hAs (4)

En la fórmula: As representa el área efectiva total de transferencia de calor por convección;h representa el coeficiente de transferencia de calor por convección, que está relacionado con el número de Nusselt.De acuerdo con la fórmula de cálculo del número de Nusselt, la fórmula de cálculo de h se puede deducir inversamente de la siguiente manera:

En la fórmula: Nu representa el número de Nusselt;λf representa la conductividad térmica del fluido;h aquí debería ser la conductividad térmica del agua de convección forzada;Dh es la longitud característica geométrica que representa la superficie de transferencia de calor, aquí representa el diámetro hidráulico de la tubería.

La resistencia térmica total que define el disipador de calor se calcula de la siguiente manera:

Rtd=RnvλfB+RndKB (6)

En la fórmula: B representa el ancho del radiador, y otros valores se introdujeron anteriormente.Cuando las dimensiones exteriores del radiador son fijas, se puede ver en la fórmula (3) que Rnd es un valor determinado, y tanto K como B son valores fijos.Si λf es constante, la resistencia térmica total del radiador está directamente relacionada con Rnv.Veamos la resistencia térmica de transferencia de calor por convección del radiador.De la fórmula (5), la fórmula (6) puede obtener:

Se puede ver en la fórmula (7) que la resistencia térmica de la transferencia de calor por convección es directamente proporcional a Dh e inversamente proporcional a As.Se puede ver que el diámetro hidráulico de la tubería no se puede aumentar a ciegas para aumentar la cantidad de agua en circulación, de modo que no se pueda lograr un buen efecto de enfriamiento.La reducción de Rnv reducirá correspondientemente la resistencia térmica total del radiador y mejorará el efecto de disipación de calor.Sustituyendo la fórmula (3) y la fórmula (7) en la fórmula (6), la fórmula de cálculo de la resistencia térmica total es:

Donde: le representa la longitud del radiador;λf es la conductividad térmica del agua y h es el coeficiente de transferencia de calor por convección forzada del agua.

1.3 Ejemplo de cálculo

Generalmente, cuando el radiador del equipo electrónico adopta el método de disipación de calor por refrigeración por agua, la circulación de líquido dentro del radiador se divide en dos tipos: canal en serie y canal paralelo.Como se muestra en la Figura 1, las secciones transversales del canal de los dos modelos se muestran respectivamente.Entre ellos, el modelo A es una distribución de canal de agua en serie, y el modelo consiste en agregar varias aletas de enfriamiento a cada canal de agua en serie.El modelo B es que los canales de agua paralelos solo tienen canales rectos, y el líquido fluye a través de los canales de agua paralelos desde la entrada de agua hasta la salida de agua.

La conductividad térmica del agua λf se selecciona como 0,5 W/mK, y el coeficiente de transferencia de calor por convección forzada del agua h es 1 000 W/m2K.Para facilitar el cálculo, se ignoran las dimensiones pequeñas, como el grosor del disipador de calor.Las dimensiones totales del disipador de calor del módulo de cuatro cuadrantes IGBT para locomotoras son L=0,005 m, L=0,55 m y B=0,45 m.Dado que las dimensiones exteriores son las mismas, la diferencia de resistencia térmica entre el modelo serie A y el modelo paralelo B radica en la diferencia de As.Establezca el área de los paneles superior e inferior de la pared interior del radiador, el área de los paneles frontal y posterior, el área de los paneles izquierdo y derecho y el área total del disipador de calor como As1, As2, As3, y As4, respectivamente.El modelo de la serie A tiene 19 disipadores de calor internos.As1=0,495m2, As2=0,0432m2, As3=0,0528m2, As4=0,8208m2.El área de refrigeración efectiva total se convierte en: As=As1+As2+As3+As4=1,4118 m2.Sustituyendo cada parámetro en la fórmula (9), la resistencia térmica del modelo serie A se obtiene como:

Modelo B, como se puede ver en la captura de pantalla de la distribución de velocidad, el agua entra desde la entrada de agua y solo fluye a través del 1/3 medio del radiador, y la velocidad de flujo de las otras partes en los lados izquierdo y derecho es casi 0, lo cual es despreciable.De esta forma, el área de disipación de calor efectiva de los paneles superior e inferior se puede definir como 1/3 del área total, y el área de disipación de calor efectiva de los paneles frontal y trasero también es 1/3 del área total.Ningún flujo de agua a través de los paneles izquierdo y derecho no cuenta como área efectiva de disipación de calor.El número efectivo de flujo de agua a través del disipador de calor medio es de 6 piezas.Luego están:

2 Software para resolver la resistencia térmica del disipador de calor y dibujar la curva de resistencia térmica

2.1 Formulario de interfaz

La forma de la interfaz principal se muestra en la Figura 3. Según las necesidades, este software diseña principalmente dos módulos funcionales.Uno es un módulo para calcular valores específicos de resistencia térmica de refrigeración por agua y el otro es un módulo para dibujar curvas de resistencia térmica de refrigeración por agua.

La interfaz del módulo de cálculo de resistencia térmica de refrigeración por agua del radiador se muestra en la Figura 4.

Entre ellos, l es la longitud del radiador, la unidad es m;B es el ancho del radiador, la unidad es el metro;L es el espesor del radiador, la unidad es el metro;A es el área de enfriamiento efectiva total del radiador, la unidad es metro cuadrado;h es el coeficiente de transferencia de calor por convección forzada del agua, unidad W/m2K;λ es la conductividad térmica del agua, la unidad es W/mK.El resultado del cálculo es el valor de la resistencia térmica del radiador refrigerado por agua y la unidad es cm2K/W.La función de este módulo tiene la naturaleza de cálculo, que puede realizar el cálculo del valor de resistencia térmica correspondiente del radiador en las condiciones del tamaño geométrico del radiador, el coeficiente de transferencia de calor por convección forzada del agua y la conductividad térmica de agua.El módulo de dibujo de la curva de resistencia térmica del radiador enfriado por agua se muestra en la Figura 5 y la Figura 6. El significado de sus parámetros es el mismo que en la Figura 4. La curva del radiador enfriado por agua da la relación cuantitativa entre el total del radiador, el coeficiente de transferencia de calor por convección forzada del agua y la resistencia térmica.Se resuelven dos problemas;para un radiador con un área efectiva de disipación de calor dada, para lograr una resistencia térmica específica, cuánto coeficiente de transferencia de calor por convección forzada de agua debe lograrse, es decir, cuánto diámetro de tubería se necesita.Para un coeficiente específico de transferencia de calor por convección forzada del agua, cómo controlar la resistencia térmica a través del área de disipación de calor del radiador.

2.2 Instrucciones para el cálculo de la resistencia térmica

El proceso de dibujo de las curvas de resistencia térmica en la Fig. 5 y la Fig. 6 se ilustra a continuación con ejemplos.En "1.3 Ejemplos", se ha calculado la resistencia térmica total del modelo de la serie A y del modelo B.Primero, llenamos los espacios en blanco correspondientes con la conductividad térmica del agua λ=0.5 W/mk, L=0.005 m, ls=0.55 m, B=0.45 m.A continuación, elija el tipo de curva.Bajo diferentes coeficientes de transferencia de calor por convección forzada del agua, la relación entre el área de disipación de calor efectiva del radiador y la resistencia térmica se muestra en la Figura 5. Bajo diferentes áreas de disipación de calor efectiva, la relación entre el coeficiente de transferencia de calor por convección forzada del agua y la resistencia térmica se muestra en la Figura 6. También hay "Calcular resistencia térmica de refrigeración por agua" en la parte inferior izquierda de la interfaz, haga clic para ingresar a la interfaz de cálculo de resistencia térmica, como se muestra en la figura.Rellene cada valor de parámetro según sea necesario: λ=0,5 W/mK, L=0,005 m, ls=0,55 m, B=0,45 m, h=1 000 W/m2K cuando el área de entrada es 1,4118 El valor de resistencia térmica calculado es 92,502 801 066 337 cm2K/W, que es consistente con el modelo de cálculo Un resultado de la fórmula anterior 92.503 cm2K/W.