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[摘 要]通过热流耦合技术对电牵引采煤机专用大功率变频器冷却系统进行热平衡分析、优化， 主要研究变频器内部的发热原理，以及散热的主要方式和途径，通过计算机模拟和试验相结合，对原变频器散热系统进行优化，提升变频器的散热能力，达到设计和使用要求。
[关键词] 热流耦合 变频器 散热 热平衡 优化
大功率采煤机专用变频器散热系统是 “十二五”国家煤炭综采成套装备智能系统研究课题之一，由于大功率变频器安装在空间有限的箱体内，在实验过程中发现变频器中的功率元件IGBT的温升很高，散热能力不足等问题，本项目基于热流耦合技术对大功率采煤机专用变频器冷却系统进行热平衡分析、优化，主要研究变频器内部的发热原理，以及散热的主要方式和途径，通过计算机模拟和试验相结合，对原变频器散热系统进行优化，提升变频器的散热能力，达到设计和使用要求。
1 采煤机变频器散热系统散热原理
采煤机变频器散热系统主要由变频器组件、冷却器、冷却水、电控箱箱体、箱体内部空气、电抗器与熔断器装配、电抗器与电源装配、监控中心装置、变频显示屏装置以及电容共同组成采煤机变频器的散热系统。
变频器的散热原理：变频器拖动牵引电机工作，变频器中的功率元件IGBT产生的热量一部分通过导热的方式传递到牵引箱箱体并通过箱体释放到外界大气中，另一部分热量通过冷却水道中的冷却水散热以喷雾的形式释放到外界，使得变频器能在适宜的环境温度下达到一种稳态热平衡，保证变频器不会因为温度过高而导致牵停故障，保证采煤机牵引部正常运行。
2采煤机变频器散热系统几何模型
分别对原采煤机变频器散热几何模型和改进方案变频器散热模型进行建模。
2.1原方案几何模型
对散热系统进行三维建模，并按1：1的比例进行装配，散热系统采用左右变频器共用一个冷却器散热，变频器发热后通过与之接触的冷却器冷却水道中的冷却水进行散热，原采煤机变频器散热系统方案如图6所示。
2.2 优化方案几何模型
对原变频器散热方案进行优化，采用左右变频器分别冷却，一个冷却器冷却一个变频器，在原方案的基础上增加一个冷却器，并且将冷却器与电控箱箱箱体做成一体，增加了散热面积更有利于散热，左右变频器分别置于电控箱箱体的两端，改进后采煤机变频器散热系统方案如图7所示。
图6 原采煤机变频器散热系统方案图
图7 优化采煤机变频器散热系统方案图
3 变频器散热系统有限元模型
（1）理想化几何模型
设计模型不是分析所需要的模型，本次分析中，主要分析冷却器对变频器的散热能力，其他元件并不产生热量，只是和散热系统中的空气进行热交换，因此分别对电源、电容、电抗器、控制中心还有显示器进行简化，简化为外形尺寸大小相等的实体块参与热交换。
（2）原变频器散热系统有限元模型
原变频器散热系统有限元模型共有733555个单元，214395个节点，其中流体网格两个，一个空气网格，一个冷却水网格，方案一单元类型、大小以及数量如表3所示，有限元模型如图8所示。
图8 原散热方案有限元模型
（3）优化方案有限元模型
优化方案有限元模型共有822429个单元，252694个节点，其中流体网格三个，一个空气网格，两个冷却水网格，单元类型、大小以及数量如表4所示，优化方案有限元模型如图9所示。
图9 改进方案有限元模型
4流边界条件及热载荷
变频器的主要热源为IGBT功率元件，变频器拖动牵引电机的损耗即为IGBT发热所做的热工，通常为牵引电机满载功率的2.5%，采煤机牵引方式采用一拖一二象限，单台变频器拖动一台200kW牵引电机，单台变频器的发热功率为5kW，两台变频器发热功率为10kW。
4.1原方案边界条件及热载荷
采煤机变频器的散热系统原理图如图10所示，IGBT产生的热量分两部分散热，一部分热量通过导热和对流传热的方式最终由冷却水将热量带走并以喷雾的形式散到外界，这部分为主要散热途径；另一部分热量通过对流传热，以及热传导等方式传递给箱体内其他组件，原方案流边界条件及热载荷如图8所示。
图10 原采煤机变频器散热系统原理图
边界条件：
（1）定义热接触边界条件，在AGBT底板与变频器底板之间建立热传递面对面接触，在变频器底板与冷却器冷却板之间建立热传递面对面接触，建立AGBT、变频器底板和冷却器底板之间的热量传递关系。
（2）定义冷却水入口流边界条件，模式为升压，冷却水入口水压为0.8MPa，定义冷却水出口流边界条件。
（3）定义电控箱箱体与外界大气的热交换边界条件，外界大气环境温度定义为20℃，对流系数4.2 W/㎡·C。
热载荷：
单台变频器AGBT总的热功率为5100W，两台变频器10.2kW。单台变频器共有9个AGBT发热元件，2个电容，2个电阻，其中6个AGBT发热功率为4500W，另外3个AGBT和2个电容发热功率为500W，2个电阻的发热功率为100W。
4.2优化方案边界条件及热载荷
优化方案采煤機变频器的散热系统原理图如图11所示，IGBT产生的热量分三部分散热，一部分热量通过导热和对流传热的方式最终由冷却水将热量带走并以喷雾的形式散到外界，这部分为主要散热途径；另一部分热量直接通过冷却器冷却板散放到外界大气中，还有一部分热量通过对流传热，以及热传导等方式传递给箱体内其他组件。该优化方案在热载荷不变的情况下，增加了一台冷却器，加强了强迫对流，改变了换热面的位置，将冷却器冷却板与电控箱箱体做成一体与外界大气接触，热量通过冷却器冷却板直接散放到外界大气中，同时提高了换热温差，通过这三个方面来提高散热效果。优化方案边界条件及热载荷如图9所示。 边界条件：
（1）定义热接触边界条件，在IGBT底板与变频器底板之间建立热传递面对面接触，在变频器底板与冷却器冷却板之间建立热传递面对面接触，建立IGBT、变频器底板和冷却器底板之间的热量传递关系。
（2）定义冷却水入口流边界条件，模式为升压，冷却水入口水压为0.8MPa，定义冷却水出口流边界条件。
（3）定义电控箱箱体与外界大气的热交换边界条件，对流系数4.2 W/㎡·C。
（4）定义冷却器冷却板与外界大气的热交换边界条件，对流系数4.2 W/㎡·C。
热载荷：
单台变频器IGBT总的热功率为5100W，两台变频器10.2kW。单台变频器共有9个IGBT发热元件，2个电容，2个电阻，其中6个AGBT发热功率为4500W，另外3个AGBT和2个电容发热功率为500W，2个电阻的发热功率为100W。
5热平衡计算结果
（1）原方案计算结果
原方案采煤机牵引电机满负荷工作时，采煤机变频器AGBT的最高温度达到199.54℃，变频器底板最高温度可达到194.33℃，冷却器冷却板最高温度为141.80℃，冷却水的出水温度为21.02℃，箱体内部接近AGBT处空气温度最高，最高温度为87.13℃，箱体内空气由于温度差会产生对流运动，对流空气最大速度348.53mm/s，冷却水出水速度为9.8m/s，计算结果显示变频器底板温度为194.33℃，已經大大超出设计温度120℃，（原方案计算结果如图12、图13所示）散热能力明显不足，需要对现有变频器散热方案进行优化，改进。由于冷却水流动速度较快，因此冷却水的温升不高，仅为1℃，与现场试验非常吻合。
图12 原方案IGBT、变频器底板、冷却器冷却板以及冷却水温度
图13 原方案箱体内空气以及冷却水的温度、速度结果
（2）优化方案计算结果
优化方案采煤机牵引电机满负荷工作时，采煤机变频器IGBT的最高温度达到126.77℃，变频器底板最高温度可达到121.72℃，冷却器冷却板最高温度为102.31℃，冷却水的出水温度为20.59℃，箱体内部接近AGBT处空气温度最高，最高温度为62.70℃，箱体内空气由于温度差会产生对流运动，对流空气最大速度256.70mm/s，冷却水出水速度为9.8m/s，（优化方案计算结果如图14、图15所示）计算结果显示变频器底板温度为121.72℃，与设计温度120℃非常接近，由于软件本身、热载荷以及边界条件存在假设，与采煤机的实际使用情况存在差异，因此计算结果也存在一定的误差，并且采煤机在使用过程中通常不会长时间满负荷运行，因此我们认为优化后的采煤机变频器散热系统的散热能力是可以满足要求的。
图14 优化方案IGBT、变频器底板、冷却器冷却板以及冷却水温度
图15 优化方案箱体内空气以及冷却水的温度、速度结果
6 结论
通过热流耦合技术对原变频器散热方案进行优化，增加强制对流、增加散散热面积和散热途径几方面来提高散热性能，优化后采煤机变频器底板温度由原来的194.33℃下降到121.72℃，散热性能提升了37%，为公司降低反复试制、试验成本，售后服务成本，以及更换备品备件成本等上百万元，社会效益，经济效益显著。
[关键词] 热流耦合 变频器 散热 热平衡 优化
大功率采煤机专用变频器散热系统是 “十二五”国家煤炭综采成套装备智能系统研究课题之一，由于大功率变频器安装在空间有限的箱体内，在实验过程中发现变频器中的功率元件IGBT的温升很高，散热能力不足等问题，本项目基于热流耦合技术对大功率采煤机专用变频器冷却系统进行热平衡分析、优化，主要研究变频器内部的发热原理，以及散热的主要方式和途径，通过计算机模拟和试验相结合，对原变频器散热系统进行优化，提升变频器的散热能力，达到设计和使用要求。
1 采煤机变频器散热系统散热原理
采煤机变频器散热系统主要由变频器组件、冷却器、冷却水、电控箱箱体、箱体内部空气、电抗器与熔断器装配、电抗器与电源装配、监控中心装置、变频显示屏装置以及电容共同组成采煤机变频器的散热系统。
变频器的散热原理：变频器拖动牵引电机工作，变频器中的功率元件IGBT产生的热量一部分通过导热的方式传递到牵引箱箱体并通过箱体释放到外界大气中，另一部分热量通过冷却水道中的冷却水散热以喷雾的形式释放到外界，使得变频器能在适宜的环境温度下达到一种稳态热平衡，保证变频器不会因为温度过高而导致牵停故障，保证采煤机牵引部正常运行。
2采煤机变频器散热系统几何模型
分别对原采煤机变频器散热几何模型和改进方案变频器散热模型进行建模。
2.1原方案几何模型
对散热系统进行三维建模，并按1：1的比例进行装配，散热系统采用左右变频器共用一个冷却器散热，变频器发热后通过与之接触的冷却器冷却水道中的冷却水进行散热，原采煤机变频器散热系统方案如图6所示。
2.2 优化方案几何模型
对原变频器散热方案进行优化，采用左右变频器分别冷却，一个冷却器冷却一个变频器，在原方案的基础上增加一个冷却器，并且将冷却器与电控箱箱箱体做成一体，增加了散热面积更有利于散热，左右变频器分别置于电控箱箱体的两端，改进后采煤机变频器散热系统方案如图7所示。
图6 原采煤机变频器散热系统方案图
图7 优化采煤机变频器散热系统方案图
3 变频器散热系统有限元模型
（1）理想化几何模型
设计模型不是分析所需要的模型，本次分析中，主要分析冷却器对变频器的散热能力，其他元件并不产生热量，只是和散热系统中的空气进行热交换，因此分别对电源、电容、电抗器、控制中心还有显示器进行简化，简化为外形尺寸大小相等的实体块参与热交换。
（2）原变频器散热系统有限元模型
原变频器散热系统有限元模型共有733555个单元，214395个节点，其中流体网格两个，一个空气网格，一个冷却水网格，方案一单元类型、大小以及数量如表3所示，有限元模型如图8所示。
图8 原散热方案有限元模型
（3）优化方案有限元模型
优化方案有限元模型共有822429个单元，252694个节点，其中流体网格三个，一个空气网格，两个冷却水网格，单元类型、大小以及数量如表4所示，优化方案有限元模型如图9所示。
图9 改进方案有限元模型
4流边界条件及热载荷
变频器的主要热源为IGBT功率元件，变频器拖动牵引电机的损耗即为IGBT发热所做的热工，通常为牵引电机满载功率的2.5%，采煤机牵引方式采用一拖一二象限，单台变频器拖动一台200kW牵引电机，单台变频器的发热功率为5kW，两台变频器发热功率为10kW。
4.1原方案边界条件及热载荷
采煤机变频器的散热系统原理图如图10所示，IGBT产生的热量分两部分散热，一部分热量通过导热和对流传热的方式最终由冷却水将热量带走并以喷雾的形式散到外界，这部分为主要散热途径；另一部分热量通过对流传热，以及热传导等方式传递给箱体内其他组件，原方案流边界条件及热载荷如图8所示。
图10 原采煤机变频器散热系统原理图
边界条件：
（1）定义热接触边界条件，在AGBT底板与变频器底板之间建立热传递面对面接触，在变频器底板与冷却器冷却板之间建立热传递面对面接触，建立AGBT、变频器底板和冷却器底板之间的热量传递关系。
（2）定义冷却水入口流边界条件，模式为升压，冷却水入口水压为0.8MPa，定义冷却水出口流边界条件。
（3）定义电控箱箱体与外界大气的热交换边界条件，外界大气环境温度定义为20℃，对流系数4.2 W/㎡·C。
热载荷：
单台变频器AGBT总的热功率为5100W，两台变频器10.2kW。单台变频器共有9个AGBT发热元件，2个电容，2个电阻，其中6个AGBT发热功率为4500W，另外3个AGBT和2个电容发热功率为500W，2个电阻的发热功率为100W。
4.2优化方案边界条件及热载荷
优化方案采煤機变频器的散热系统原理图如图11所示，IGBT产生的热量分三部分散热，一部分热量通过导热和对流传热的方式最终由冷却水将热量带走并以喷雾的形式散到外界，这部分为主要散热途径；另一部分热量直接通过冷却器冷却板散放到外界大气中，还有一部分热量通过对流传热，以及热传导等方式传递给箱体内其他组件。该优化方案在热载荷不变的情况下，增加了一台冷却器，加强了强迫对流，改变了换热面的位置，将冷却器冷却板与电控箱箱体做成一体与外界大气接触，热量通过冷却器冷却板直接散放到外界大气中，同时提高了换热温差，通过这三个方面来提高散热效果。优化方案边界条件及热载荷如图9所示。 边界条件：
（1）定义热接触边界条件，在IGBT底板与变频器底板之间建立热传递面对面接触，在变频器底板与冷却器冷却板之间建立热传递面对面接触，建立IGBT、变频器底板和冷却器底板之间的热量传递关系。
（2）定义冷却水入口流边界条件，模式为升压，冷却水入口水压为0.8MPa，定义冷却水出口流边界条件。
（3）定义电控箱箱体与外界大气的热交换边界条件，对流系数4.2 W/㎡·C。
（4）定义冷却器冷却板与外界大气的热交换边界条件，对流系数4.2 W/㎡·C。
热载荷：
单台变频器IGBT总的热功率为5100W，两台变频器10.2kW。单台变频器共有9个IGBT发热元件，2个电容，2个电阻，其中6个AGBT发热功率为4500W，另外3个AGBT和2个电容发热功率为500W，2个电阻的发热功率为100W。
5热平衡计算结果
（1）原方案计算结果
原方案采煤机牵引电机满负荷工作时，采煤机变频器AGBT的最高温度达到199.54℃，变频器底板最高温度可达到194.33℃，冷却器冷却板最高温度为141.80℃，冷却水的出水温度为21.02℃，箱体内部接近AGBT处空气温度最高，最高温度为87.13℃，箱体内空气由于温度差会产生对流运动，对流空气最大速度348.53mm/s，冷却水出水速度为9.8m/s，计算结果显示变频器底板温度为194.33℃，已經大大超出设计温度120℃，（原方案计算结果如图12、图13所示）散热能力明显不足，需要对现有变频器散热方案进行优化，改进。由于冷却水流动速度较快，因此冷却水的温升不高，仅为1℃，与现场试验非常吻合。
图12 原方案IGBT、变频器底板、冷却器冷却板以及冷却水温度
图13 原方案箱体内空气以及冷却水的温度、速度结果
（2）优化方案计算结果
优化方案采煤机牵引电机满负荷工作时，采煤机变频器IGBT的最高温度达到126.77℃，变频器底板最高温度可达到121.72℃，冷却器冷却板最高温度为102.31℃，冷却水的出水温度为20.59℃，箱体内部接近AGBT处空气温度最高，最高温度为62.70℃，箱体内空气由于温度差会产生对流运动，对流空气最大速度256.70mm/s，冷却水出水速度为9.8m/s，（优化方案计算结果如图14、图15所示）计算结果显示变频器底板温度为121.72℃，与设计温度120℃非常接近，由于软件本身、热载荷以及边界条件存在假设，与采煤机的实际使用情况存在差异，因此计算结果也存在一定的误差，并且采煤机在使用过程中通常不会长时间满负荷运行，因此我们认为优化后的采煤机变频器散热系统的散热能力是可以满足要求的。
图14 优化方案IGBT、变频器底板、冷却器冷却板以及冷却水温度
图15 优化方案箱体内空气以及冷却水的温度、速度结果
6 结论
通过热流耦合技术对原变频器散热方案进行优化，增加强制对流、增加散散热面积和散热途径几方面来提高散热性能，优化后采煤机变频器底板温度由原来的194.33℃下降到121.72℃，散热性能提升了37%，为公司降低反复试制、试验成本，售后服务成本，以及更换备品备件成本等上百万元，社会效益，经济效益显著。