面向兆瓦级风电变流器液冷冷板结构的设计及仿真

【摘要】：随着风电变流器技术在全球范围内的快速发展,风电变流器的功率等级也相应得到很大的提高。风电变流器功率等级的提高会引起变流器内IGBT模块的温升,这将直接威胁到风电变流器工作的稳定性。特别是针对兆瓦级风电变流器发热量很大的功率器件,采取合理有效的散热方式极为重要。首先,本文针对兆瓦级风电变流器散热问题,分析了多种散热方式,提出了液冷冷板散热。按照液冷冷板设计的相关理论和传热机理,对两种传统冷板流道结构进行优化改进,设计了四种新型冷板流道结构:加肋片的S型、中间入口的S型和两种肋片顺排的S型流道。其次,通过流体力学相关理论,对不同流道结构的沿程阻力和局部阻力进行了分析,建立沿程损失和局部损失的数学方程。利用CFD对六种流道结构进行压力损失的仿真分析,获得流道内速度场和压力场的的分布,并将理论值与仿真值作分析比较。再次,根据传热学相关原理,建立冷板内部对流换热的数学方程,利用ICEPAK软件对六种流道结构进行对流换热的仿真分析,得到冷板和IGBT模块的温度分布。对六种流道结构的综合性能作对比分析,结果表明:在相同的入口流速和入口水温下,加肋片的S型和肋片顺排的S型流道(结构一)换热性能最好,两者温度基本持平,但后者压损大于前者;中间入口的S型流道温度相对较高,但压损最小;对比分析可知,加肋片的S型流道结构综合性能最好。最后,搭建冷板试验平台,对冷板进行流动性能和对流换热性能的实验测试。将实验结果与模拟结果进行对比分析,验证本文仿真结果的可靠性。 【关键词】：风电变流器 液冷冷板 散热 流道结构 仿真分析
【学位授予单位】：浙江农林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM46
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-19
• 1.1 课题背景9-10
• 1.2 风电变流器散热研究现状10-11
• 1.3 国内外相关研究现状11-16
• 1.3.1 冷板结构设计的研究现状12-14
• 1.3.2 冷板流道内流体流动性的研究现状14-16
• 1.3.3 冷却液的研究现状16
• 1.4 课题来源和研究意义16-17
• 1.5 论文主要研究内容和结构17-18
• 1.5.1 主要研究内容17
• 1.5.2 论文的结构17-18
• 1.6 本章小结18-19
• 第二章 液冷冷板流道结构的构建19-26
• 2.1 液冷冷板散热简介19
• 2.2 液冷冷板换热性能影响因素19-20
• 2.3 典型冷板内部流道结构介绍20-22
• 2.3.1 并联结构20-21
• 2.3.2 串联结构21
• 2.3.3 顺排与叉排肋片结构21-22
• 2.4 传统流道结构的构建22-23
• 2.5 新型流道结构的构建23-25
• 2.6 本章小结25-26
• 第三章 液冷冷板压力损失的仿真分析26-43
• 3.1 流体力学基础26-27
• 3.1.1 流体力学简介26
• 3.1.2 三大控制方程26-27
• 3.2 压力损失的理论分析与计算27-35
• 3.2.1 流动阻力与压力损失27-28
• 3.2.2 沿程损失系数与局部损失系数的确定28-29
• 3.2.3 结构的分析与损失系数的设定29-32
• 3.2.4 压力损失的计算32-35
• 3.3 压力损失的仿真分析35-42
• 3.3.1 CFD和Fluent软件介绍35
• 3.3.2 边界条件和求解器的设置35-36
• 3.3.3 仿真结果分析36-42
• 3.4 减小阻力的损失的方法42
• 3.5 本章小结42-43
• 第四章 液冷冷板对流换热性能的仿真分析43-67
• 4.1 三种传热方式介绍43-44
• 4.1.1 热传导43
• 4.1.2 热对流43-44
• 4.1.3 热辐射44
• 4.2 对流换热的理论分析与计算44-50
• 4.2.1 对流换热问题的研究方法44-45
• 4.2.2 内部强制对流换热问题的计算方法45-47
• 4.2.3 换热性能的理论计算47-50
• 4.3 冷板流道数值计算50-54
• 4.3.1 ICEPAK软件介绍50-51
• 4.3.2 物理模型51
• 4.3.3 网格模型51-53
• 4.3.4 边界条件和后处理设置53-54
• 4.4 数值计算结构分析54-66
• 4.4.1 并联流道结构和串联S型流道结构54-56
• 4.4.2 加肋片的的S型流道和中间入口的S型流道56-58
• 4.4.3 两种肋片顺排的S型流道58-60
• 4.4.4 两种传统流道和四中新型流道综合性能的分析比较60-66
• 4.5 本章小结66-67
• 第五章 液冷冷板结构的实验研究67-75
• 5.1 冷板实验测试系统67-70
• 5.2 实验结果70-74
• 5.3 本章小结74-75
• 第六章 总结与展望75-77
• 6.1 总结75
• 6.2 工作展望75-77
• 参考文献77-82
• 致谢82

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