Perhitungan ketahanan termal pendinginan air radiator IGBT daya tinggi

Perhitungan ketahanan termal pendinginan air radiator IGBT daya tinggi

Abstrak: Untuk mengoptimalkan kapasitas pembuangan panas radiator berpendingin air dan memastikan operasinya yang andal, prinsip dasar dan formula perpindahan panas dikutip, dan dimensi mekanis bentuk radiator, koefisien perpindahan panas konveksi paksa air dan konduktivitas termal air digunakan sebagai parameter dan Variabel mendapatkan rumus untuk menghitung resistansi termal pendingin air pendingin.Pada saat yang sama, untuk memenuhi aplikasi praktis, perhitungan resistansi termal radiator berpendingin air khusus dan perangkat lunak gambar kurva telah dikembangkan, yang dapat menampilkan berbagai kurva perubahan resistansi termal dengan perubahan parameter, dan juga dapat langsung menghitung dan menampilkan nilai resistansi termal.Ini memberikan referensi yang intuitif dan nyaman untuk pemilihan parameter yang optimal dalam desain radiator.

Kata kunci: radiator berpendingin air;perhitungan ketahanan panas;perangkat lunak;radiator IGBT daya tinggi

Lokomotif listrik Harmony adalah lokomotif listrik inverter AC-DC-AC yang menggunakan teknologi semikonduktor berdaya tinggi.Karena fitur teknisnya seperti pengaturan kecepatan konversi frekuensi AC canggih, pengereman regeneratif, kontrol motor AC daya tinggi, dan otomatisasi tingkat tinggi, ini banyak digunakan dalam lokomotif berkecepatan tinggi dan berdaya tinggi dalam transportasi jalur utama kereta api.Konverter setiap lokomotif menggunakan tiga macam modul IGBT, yaitu: modul pencacah empat kuadran (4QC), modul inverter sisi motor (Inv) dan modul inverter bantu.Menyelidiki kesalahan 305 konverter lokomotif listrik HXD1B di depo lokomotif tertentu dari Juli 2009 hingga 4 Mei 2011, dan menemukan bahwa total 4.880 modul sedang digunakan, dengan 255 kesalahan, dan jumlah kesalahan. Modul IGBT menunjukkan bahwa pada setidaknya satu chip IGBT telah gagal.Sejauh ini, belum ada kegagalan modul yang disebabkan oleh alasan selain perangkat semikonduktor daya.Kegagalan semacam ini meningkat dengan meningkatnya suhu lingkungan musiman.Dapat disimpulkan bahwa kegagalan IGBT terkait erat dengan pembuangan panasnya, sehingga pendinginan dan panas digital perangkat elektronik menjadi salah satu fokus penelitian selanjutnya.Dengan mempelajari masalah pendinginan dan pembuangan panas perangkat, kondisi pembuangan panas dioptimalkan dan diubah, sehingga dapat bekerja selama mungkin di lingkungan dengan suhu yang sesuai dan mengurangi kejadian kecelakaan, yang berperan penting dalam menjaga keselamatan pengoperasian lokomotif kereta api.

Dalam makalah ini, melalui analisis proses pembuangan panas radiator IGBT daya tinggi, prinsip dasar dan formula dalam perpindahan panas dikutip terlebih dahulu, dan perhitungan ketahanan panas dibagi menjadi ketahanan panas konduksi panas yang dihasilkan oleh padatan. proses perpindahan panas di radiator dan radiator dan sistem pendingin.Resistansi termal perpindahan panas konvektif yang dihasilkan oleh proses perpindahan panas antara cairan adalah dua bagian, dan perhitungan ketahanan termal pendinginan air radiator disimpulkan dengan mengambil ukuran mekanis dari bentuk radiator, koefisien perpindahan panas konvektif paksa air dan koefisien konduktivitas termal air sebagai parameter dan formula variabel.Untuk menyederhanakan analisis, perangkat lunak untuk perhitungan ketahanan termal disusun.Perangkat lunak ini memiliki antarmuka operasi yang sederhana dan jelas, yang dapat menampilkan berbagai kurva perubahan resistansi termal dengan parameter, dan juga dapat langsung menghitung dan menampilkan nilai resistansi termal.Ini memberikan referensi yang intuitif dan nyaman untuk analisis desain radiator.

1 Rumus dasar dan prinsip perpindahan panas

1.1 Prinsip dan cara dasar perpindahan kalor

Rumus dasar untuk konduksi panas adalah:

Q=KA△T／△L (1)

Dalam rumus tersebut, Q mewakili panas, yaitu panas yang dihasilkan atau dikonduksikan oleh panas;K adalah koefisien konduktivitas termal material.△T mewakili perbedaan suhu antara kedua ujungnya;△L adalah jarak antara kedua ujung.Konveksi mengacu pada perpindahan panas di mana cairan (gas atau cairan) bersentuhan dengan permukaan padat, menyebabkan cairan menghilangkan panas dari permukaan padat.

Rumus untuk konveksi panas adalah:

Q=hA△T (2)

Dalam rumus: Q masih menyatakan panas, yaitu panas yang diambil oleh konveksi panas;h adalah nilai koefisien konveksi panas;A adalah bidang kontak efektif konveksi panas;△T mewakili perbedaan suhu antara permukaan padat dan fluida regional.

1.2 Perhitungan ketahanan panas

Resistansi termal mewakili resistansi dalam proses konduksi panas, dan merupakan parameter komprehensif yang mencerminkan kemampuan untuk mencegah perpindahan panas.Untuk menyederhanakan analisis, setelah menyederhanakan model radiator, dianggap bahwa ada dua bentuk resistensi termal perpindahan panas konvektif dan resistensi termal konduksi termal.Ada resistensi termal konduksi panas di pelat planar heat sink.Rumus perhitungannya adalah:

Rnd=L／KA (3)

Dalam rumus: L mewakili ketebalan pelat radiator;K mewakili konduktivitas termal pelat aluminium;A mewakili luas penampang tegak lurus terhadap arah aliran panas, yaitu luas pelat.

Resistansi termal antara air di radiator dan unit pendingin adalah resistansi termal perpindahan panas konvektif.Rumus perhitungannya adalah:

Rnv=1/jam (4)

Dalam rumus: As menunjukkan luas perpindahan panas konvektif efektif total;h mewakili koefisien perpindahan panas konvektif, yang terkait dengan bilangan Nusselt.Berdasarkan rumus perhitungan bilangan Nusselt, rumus perhitungan h dapat diturunkan secara terbalik sebagai berikut:

Dalam rumus: Nu mewakili bilangan Nusselt;λf mewakili konduktivitas termal fluida;h di sini harus menjadi konduktivitas termal dari konveksi paksa air;Dh adalah panjang karakteristik geometris yang mewakili permukaan perpindahan panas, di sini mewakili diameter hidrolik pipa.

Resistansi termal total yang menentukan heat sink dihitung sebagai berikut:

Rtd=RnvλfB+RndKB (6)

Dalam rumus: B mewakili lebar radiator, dan nilai lainnya diperkenalkan sebelumnya.Ketika dimensi luar radiator tetap, dapat dilihat dari rumus (3) bahwa Rnd adalah nilai tertentu, dan baik K maupun B adalah nilai tetap.Jika λf konstan, resistansi termal total radiator berhubungan langsung dengan Rnv.Mari kita lihat resistansi termal perpindahan panas konvektif radiator.Dari rumus (5), rumus (6) dapat diperoleh:

Dari rumus (7) dapat dilihat bahwa hambatan termal perpindahan panas konvektif berbanding lurus dengan Dh dan berbanding terbalik dengan As.Dapat dilihat bahwa diameter hidrolik pipa tidak dapat dinaikkan secara membabi buta untuk meningkatkan jumlah air yang bersirkulasi, sehingga efek pendinginan yang baik tidak dapat dicapai.Mengurangi Rnv juga akan mengurangi resistansi termal total radiator dan meningkatkan efek pembuangan panas.Dengan mengganti rumus (3) dan rumus (7) ke dalam rumus (6), maka rumus perhitungan hambatan panas total adalah:

Dimana: le mewakili panjang radiator;λf adalah konduktivitas termal air, dan h adalah koefisien perpindahan panas konveksi paksa air.

1.3 Contoh perhitungan

Umumnya, ketika radiator peralatan elektronik mengadopsi metode pembuangan panas pendingin air, sirkulasi cairan di dalam radiator dibagi menjadi dua jenis: saluran seri dan saluran paralel.Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, penampang saluran dari kedua model ditampilkan masing-masing.Diantaranya, model A adalah distribusi saluran air seri, dan model tersebut menambahkan beberapa sirip pendingin ke setiap saluran air seri.Model B adalah saluran air paralel hanya memiliki saluran lurus, dan cairan mengalir melalui saluran air paralel dari saluran masuk air ke saluran keluar air.

Konduktivitas termal air λf dipilih sebagai 0,5W/mK, dan koefisien perpindahan panas konveksi paksa air h adalah 1 000 W/m2K.Untuk kenyamanan perhitungan, dimensi kecil seperti ketebalan heat sink diabaikan.Dimensi keseluruhan unit pendingin modul empat kuadran IGBT untuk lokomotif adalah L=0,005 m, L=0,55 m, dan B=0,45 m.Karena dimensi luarnya sama, maka perbedaan tahanan termal antara model seri A dan model paralel B terletak pada perbedaan As.Tetapkan luas panel atas dan bawah dinding bagian dalam radiator, luas panel depan dan belakang, luas panel kiri dan kanan, dan luas total heat sink sebagai As1, As2, As3, dan As4, masing-masing.Model seri A memiliki 19 heat sink internal.As1=0,495m2, As2=0,0432m2, As3=0,0528m2, As4=0,8208m2.Total area pendinginan efektif menjadi: As=As1+As2+As3+As4=1,4118 m2.Mengganti setiap parameter ke dalam rumus (9), resistansi termal dari model seri A diperoleh sebagai:

Model B, seperti yang terlihat dari tangkapan layar distribusi kecepatan, air masuk dari saluran masuk air, dan hanya mengalir melalui 1/3 bagian tengah radiator, dan kecepatan aliran bagian lain di sisi kiri dan kanan hampir 0, yang dapat diabaikan.Dengan cara ini, area pembuangan panas efektif panel atas dan bawah dapat ditentukan sebagai 1/3 dari keseluruhan area, dan area pembuangan panas efektif panel depan dan belakang juga 1/3 dari area keseluruhan.Tidak ada aliran air melalui panel kiri dan kanan tidak dihitung sebagai area pembuangan panas yang efektif.Jumlah aliran air efektif melalui heat sink tengah adalah 6 buah.Lalu ada:

2 Perangkat lunak untuk memecahkan ketahanan panas unit pendingin dan menggambar kurva ketahanan panas

2.1 Bentuk antarmuka

Bentuk antarmuka utama ditunjukkan pada Gambar 3. Menurut kebutuhan, perangkat lunak ini terutama merancang dua modul fungsional.Salah satunya adalah modul untuk menghitung nilai resistansi termal pendinginan air tertentu, dan yang lainnya adalah modul untuk menggambar kurva ketahanan termal pendinginan air.

Antarmuka modul perhitungan resistansi termal pendingin air radiator ditunjukkan pada Gambar 4.

Diantaranya, l adalah panjang radiator, satuannya m;B adalah lebar radiator, satuannya meter;L adalah ketebalan radiator, satuannya meter;A adalah total area pendinginan radiator yang efektif, satuannya adalah meter persegi;h adalah koefisien perpindahan panas konveksi paksa air, satuan W/m2K;λ adalah konduktivitas termal air, satuannya adalah W/mK.Hasil perhitungan adalah nilai tahanan termal radiator berpendingin air, dan satuannya adalah cm2K/W.Fungsi modul ini memiliki sifat perhitungan, yang dapat mewujudkan perhitungan nilai ketahanan panas radiator yang sesuai dengan kondisi ukuran geometris radiator, koefisien perpindahan panas konveksi paksa air, dan konduktivitas termal dari air.Modul gambar kurva ketahanan termal radiator berpendingin air ditunjukkan pada Gambar 5 dan Gambar 6. Arti parameternya sama dengan yang ada pada Gambar 4. Kurva radiator berpendingin air memberikan hubungan kuantitatif antara total luas radiator, koefisien perpindahan panas konveksi paksa air, dan ketahanan termal.Dua masalah terpecahkan;untuk radiator dengan area pembuangan panas efektif tertentu, untuk mencapai ketahanan termal tertentu, berapa banyak koefisien perpindahan panas konveksi paksa air yang perlu dicapai, yaitu berapa diameter pipa yang dibutuhkan.Untuk koefisien perpindahan panas konveksi paksa tertentu dari air, cara mengontrol hambatan termal melalui area pembuangan panas radiator.

2.2 Instruksi Perhitungan Resistansi Termal

Proses menggambar kurva ketahanan termal pada Gambar. 5 dan Gambar. 6 diilustrasikan di bawah ini dengan contoh.Dalam "1.3 Contoh", resistansi panas total dari model seri A dan model B telah dihitung.Pertama, kita mengisi kekosongan yang sesuai dengan konduktivitas termal air λ=0,5 W/mk, L=0,005 m, ls=0,55 m, B=0,45 m.Kemudian pilih tipe kurva.Di bawah koefisien perpindahan panas konveksi paksa air yang berbeda, hubungan antara area pembuangan panas efektif radiator dan ketahanan termal ditunjukkan pada Gambar 5. Di bawah area pembuangan panas efektif yang berbeda, hubungan antara koefisien perpindahan panas konveksi paksa air dan resistansi termal ditunjukkan pada Gambar 6. Ada juga "Hitung Resistansi Termal Pendinginan Air" di kiri bawah antarmuka, klik untuk masuk ke antarmuka perhitungan resistansi termal, seperti yang ditunjukkan pada gambar.Isikan setiap nilai parameter sesuai kebutuhan: λ=0.5 W/mK, L=0.005 m, ls=0.55 m, B=0.45 m, h=1 000W/m2K jika input area 1.4118 Nilai resistansi termal yang dihitung adalah 92.502 801 066.337 cm2K/W, yang konsisten dengan perhitungan model A hasil rumus di atas 92.503 cm2K/W.