大功率电力电子器件（精选八篇）
大功率电力电子器件 篇1
关键词：大功率,电力电子技术,应用分析
电力电子技术是一种强电电子技术, 主要通过弱电来控制强电, 其基本作用原理与控制理论密不可分, 其装置和系统通过控制理论实现弱电和强电的衔接。电力电子的原件制造理论及其工艺与普通应用于电力领域中的电力原件基本一致, 集成电路的制造工艺与微电子的制造技术大同小异。其次, 在高压直流输电、电镀、电力机牵引、电加热以及静止无功补偿等领域也广泛涉及电力电子工程技术, 常常认为其与电气工程学同属一个专业。
1 电气节能
目前, 在石油、煤炭等不可再生资源几近枯竭的时候, “节能”已成为我们当下研究的重点。电力电子技术在电力系统的应用中, 最常用、最经典的技术设备是反应速度快、控制功率小的同步发电机励磁系统, 被广泛应用于电压调节系统中, 其次较为常用的就是变频调速装置。电气节能主要通过有缘滤波、变频调速以及电能质量控制来实现, 其中变频调速主要应用的是大功率电力电子技术。目前, 工业节能的主要方式为电机变频调速, 随着我国高科技技术的不断发展与完善, 变频器技术及设备会不断改进和完善, 变频器的应用范围会越来越广, 变频器的投资成本也会越来越低。对于企业而言, 可有效节约投资成本, 创造更好的收益, 对于社会而言, 正好响应国家的节能号召。
2 新能源发电
随着我国社会经济的快速发展, 社会的生产以及人们的日常生活中对电的需求急剧升高, 我国人多地广, 但是煤油等不可再生资源却非常少, 目前我国已经出现严重的能源危机, 同时环境污染问题也应引起我们的高度重视。新能源的开发是我们目前亟待解决的问题。近年来, 我国正在努力研发一些可重复的绿色发电装置, 像风力、水力、太阳能等, 这些自然新能源在应用的过程中, 最大的问题是能源供给的不确定性, 这会导致发电机随天气的变化而转速不恒定。大功率电力电子变化器是解决这些问题的关键设备。
3 电气牵引中大功率电力电子技术的应用
随电力电子技术的不断发展, 燃机驱动机均在向以大功率电力电子变频技术的电力驱动系统发展。电气牵引的基本原理主要是依靠电力系统提供电源, 利用电力电子变频器以及降压器处理将变电所的电流转变为变流电源, 从而为轨道列车、舰船、汽车等运行提供动力。目前这种电气牵引技术已经被广泛应用于人们的日常生活中, 但是在列车、汽车等机车运行时会产生一种信号波, 干扰乘客的通信质量, 对电力系统也会产生一些影响。同时这种大功率电力电子变频器通常都需要单独配置供电系统, 导致投资成本较高。
4 定质电力技术
定质电力技术实际上是一种电力供应技术, 主要目的是控制电能质量, 满足用户的特定要求, 主要实现途径是先进的控制技术以及大功率电力电子技术。随着社会经济的快速发展, 社会生产及人们日常生活中对电能的需求量以及质量都大大提高, 比如现代企业生产中, 计算机技术网络信息系统的应用, 加工工具的精密要求、变频调速机器人以及驱动器, 自动生产线以及可编程控制器等设备对电路变化的敏感度较高, 只要供电质量出现一点小小的波动都有可能影响产品质量, 造成严重的经济损失。因此很多企业用户都自己安装了UPS (不间断电源) 装置来确保供电质量, 这种解决措施需要付出的代价就是增加投资成本, 这是治标不治本的办法。想要彻底解决优质供电问题的关键是供电部门。定质电力技术就是供电部门协调好供电质量的主要措施, 目前已经研发出了静止无功发生器装置来快速调节电压, 通过变压器、可关断晶闸管 (GTO) 、储能电路、双极性绝缘门极三极管 (IG) 变换电路等设备来抑制电压闪变, 吸收和发生生电网的无功功率进而提高配电网无功调节质量。同时在电网故障时, 固态开关可与静止无功发生器配合可保持电压恒定。
5 大功率电力电子在智能电网的应用
智能电网是近年来的热门话题, 主要是以高速双向通信互联网为基础, 利用先进的管理体系结合现代化先进的传感技术、测量技术以及控制技术, 实现电网的智能化, 确保电网系统的安全、可靠、经济、高效运行。目前我国的电网智能化仍处于发展阶段, 智能化程度与世界上一些发达国家相比仍存在一定的差距, 但是以大功率电力电子技术为核心技术的智能化趋势已经得到人们的广泛认可。比如说现在的智能电表, 供电企业可以对每个用户安装智能电表, 通过设备动态追踪用户的用电情况, 进而为用户提供更加多样化与人性化的服务。相信随着电力电子技术的不断发展与进步, 电网的智能化程度会越来越高。
大功率电力电子技术的发展与应用为我国的电力系统迎来了新的发展格局, 为人们提供更优质的服务, 但目前我国的大功率器件以及装置仍然相对落后, 未来应积极研发出更加经济、性能更好的电力电子器件以及装置。
参考文献
大功率电力电子器件 篇2
1、引言
中国的钢产量已连续多年居世界第一，并每年以20%以上的高速度在增长。2004年的钢产量是2.73亿吨，2005年将超过3亿吨，占世界钢产量的1/3。作为制造业基础的钢铁工业，现在正在进行大规模建设和技术改造。有资料显示，50万吨以上的钢厂全面盈利，这吸引了众多民营企业进入这个领域，出现了“大炼钢铁”的局面。然而中国钢铁工业的问题也非常突出。它的能耗水平高，对环境的污染严重，能够生产高档次钢材的企业少，如用于电机行业的硅钢片、高档汽车用的钢板每年还需要大量从国外进口。
电力电子的变流器在钢铁方面的应用主要有两个方面:一个是大型轧机传动，由交流调速取代直流调速，提高轧钢能效；另外一方面是环保节能的传动，例如钢铁工业中的高炉鼓风机，冶炼除尘风机和水泵等等，现在大多数还是采用档板截流的调节方式，采用高压变频调速将产生较大的节能效益，市场前景广阔。当前在轧机主传动中应用的交流调速技术主要是交—交变频调速，IGCT/IGBT三电平交—直—交变频调速。
大功率轧钢机主传动要求电气传动系统具有很高动态响应和相当高的过载能力。这一领域长期以来一直被直流电动机传动所垄断，由于直流电机存在着换向问题和换向器、电刷等部件维护工作量较大，使其在提高单机大容量、提高过载能力、降低转动惯量以及简化维护等方面受到了限制，已不能满足轧钢机向大型化、高速化方面的发展。随着电力电子技术、微电子技术以及现代控制理论的迅速发展，该技术受到国内外钢铁工业和电气传动学术界的极大关注。70年代以后，随着交流电机矢量控制理论的产生及其应用技术的推广，世界工业发达国家都投入大量人力物力对交—交变频轧钢机主传动进行研究。到目前，在世界上已有上千台交流变频轧机主传动投入工业应用，在工业发达国家新建1000kW以上的轧机主传动，无论是初轧机，中板轧机还是热、冷连轧机，无一例外全部采用交流变频调速。在大功率轧钢机主传动领域已出现交流调速传动取代直流传动的趋势。
2、交—交变频器
1987年湖南湘潭钢铁厂从西门子公司引进了交—交变频的轧钢机，拉开了我国轧钢机采用交流传动的序幕。这套轧钢机投入运用后，湘潭钢铁厂的吨钢能耗节约了30%。此后，交流调速技术在钢铁领域得到了大力推广。
2.1 交—交变频的特点
交—交变频调速系统如图1所示，由三组反并联晶闸管可逆桥式变流器组成，它沿续着晶闸管变流器的电网自然换流原理，具有过载能力强、效率高、输出波形好等优点，但同时也存在着输出频率低(最高频率小于1/2电网频率)，电网功率因数低，旁频谐波影响等缺点。交—交变频区分为有环流和无环流方式，可驱动同步电机或异步电机。
图1 交—交变频同步电机调速系统 2.2 交、直流调速的比较
轧钢机交流传动较传统的直流传动有许多优点：
（1）交流电机的单机容量不受限制，而直流电机的极限是5000kW/500r/min；
（2）同等功率情况下，交流电机的转动惯量比直流电机的要小得多，如宝钢有台2×4500kW的直流电机，它的转动惯量GD2=76.8tm2，而9MW交流同步电机单电机传动，GD2=17.2tm2，为直流电机的1/4.5。因此交流电机的加速性能要大大超过直流电机；
（3）交流调速的动态性能好，速度响应由直流的15～30rad/s提高到40～100rad/s；
（4）交流电机的效率比直流电机提高2～3%；采用交流调速可提高生产效率，综合节能30%（耗电/吨钢）；
（5）交流调速体积小、重量轻、占地面积小，维护简单。
采用交流调速对宝钢2050热连轧和武钢1700热连轧进行改造，用一台1万多kW的电机来取代原来的3台直流电机，体积减小了2/3。总体来说在钢铁领域交流调速取代直流调速已经形成了一个趋势。
2.3 交—交变频器在热连轧机上的应用
图2是一个热连轧钢机驱动的典型图例。
图2 热连轧钢机驱动典型图例
图2中一共有7台电机，第一、二机架是8500kW的，第三到第七机架是10000kW的，如附表。热连轧机传动的电机功率大，装备规模大，技术性能要求高。在国际上只有少数几家知名电气公司可以承接该项目，我国热连轧机等大型机械传动装备一直依赖于进口。
附表 热连轧钢机的传动配置
2.4 交—交变频器的国产化研究
国家把大型轧机主传动装备国产化列入“七五”、“八五”、“九五”国家重大技术攻关项目。国家要求大功率交流调速系统技术尽快产业化，以改变大型工业机械传动装备长期依赖于进口的局面。原冶金部和机械部把交—交变频列为重点科研项目。冶金自动化院、天津电气传动研究所对该技术进行攻关，同时，清华大学、浙江大学等高校参与了项目的研制和理论分析，哈尔滨电机厂、东方电机厂、上海电机厂等企业则研制用于交—交变频调速系统的同步电机。
1993年第一套国产的2500kW交—交变频同步电机调速系统研制成功，应用于包钢轨梁厂850型钢轧机；1996年第一套4000kW国产全数字控制交—交变频调速系统问世，应用于重钢中板轧机主传动；1999年第一套国产双机传动交—交变频调速系统研制成功，应用于武钢轧板厂中板轧机；2000年第一套热连轧机交—交变频调速的在攀枝花钢铁公司投入运行。据统计从1996年至2005年，我国大功率交—交变频轧机传动系统共263套，其中国内制造171套，占65%。我国大功率交—交变频的技术水平与应用规模已超过美国GE、法国Alstom、意大利Ansaldo，达到世界先进水平；彻底扭转了大型工业轧钢传动装备长期依赖于进口的局面。
3、交—直—交变频器
3.1 交—直—交变频器的特点
进入80年代以来，打破晶闸管元件一统天下的自关断电力半导体器件，大功率晶体管GTR，可关断晶闸管GTO以及场控器件绝缘栅双极晶体管IGBT相继问世，开始了一个以自关断电力半导体器件为核心的新时代，与传统的半可控晶闸管器件相比，采用自关断电力半导体器件的电气传动装置具有节约原材料，变换器装置结构简单，体积小，重量轻，功率因数高，谐波污染小等显著优点。
3.2 交—直—交变频器在轧钢传动中应用
在大功率高电压变频调速领域，GTO元件曾占主要地位。20世纪90年代，GTO变频调速继在铁路牵引机车上普遍应用之后，世界各国开始研制轧机主传动GTO变频调速系统。日本三菱公司率先研制成功6000V/6000A大功率GTO元件，并将世界最大功率7000kW，3kV，GTO同步电机变频调速成功地应用于我国宝钢1580mm热连轧机和鞍钢1780mm热连轧机。图3为GTO交—直—交多电平PWM变频调速系统，该系统为电压型变频器，电源测变流器亦采用GTO脉宽调制技术，控制输入电流的相角可以达到功率因数始终为1，并减少输入电流的谐波。该变频器采用三电平GTO元件串联控制技术，使变频器输入和输出电压可达到3300V。与采用晶闸管元件的交—交变频调速系统相比，GTO变频器具有输出频率不受限，电网谐波污染小，功率因数高等显著优点，但也存在着GTO元件开关损耗较大，效率低，需要水冷却，维护困难等问题，同时电力半导体领域一直对GTO元件看法不一，期待更新型的场控器件来取代它。
近几年，高电压大功率电力半导体器件的研制是世界各国在轧机传动领域的竞争热点，由瑞士ABB公司研制成功的门极可关断晶闸管IGCT，是在GTO元件基础上进行创新的一种新型大功率电力半导体器件。它在器件的结构设计中减少了控制门极回路电感,将驱动电路集成到器件旁，使IGCT的开关损耗较GTO减少一个数量级，提高了开关速度，取消了缓冲吸收电路，大大简化了变频器结构并提高了系统效率。ABB，GE，ANSALDO，以及西门子公司已研制成功采用4000A/4500V, IGCT元件的大功率三电平PWM变频器用于轧机主传动。我国本溪钢铁公司1700轧机改造采用了GE公司的IGCT三电平变频器，电机功率7MW/6kV。IGCT已成为GTO的换代器件。
图3 GTO交—直—交三电平PWM变频调速系统主电路
日本东芝公司近期研制成功高电压大功率的IEGT元件，即电子促进绝缘栅双极晶体管，4000A/4500V。IEGT是IGBT的一种形式，具有IGBT元件电压驱动, 开关速度快，可自保护等优点，东芝公司已将采用IEGT元件的7MW/3kV大功率三电平变频器应用于我国链源钢铁公司薄板坯连铸连轧主传动中。
3.3 交—直—交变频器存在的问题
尽管交—直—交变频器具有输出频率高、功率因数高等优点，但交—直—交变频器仍存在许多待改进的问题：
（1）当前大功率高电压电力电子器件处在发展期，GTO元件面临淘汰，IGBT，IGCT尚待成熟；
（2）采用IGCT（或者GTO）、IECT的变流器，器件故障造成直通短路的保护还是难题；电源侧变流器如果发生直通短路会造成电网短路，所以变流器必须采用高漏抗输入变压器，一般要求15%，甚至高达20%；
（3）交—直—交变频器低频运行时过载能力减低，一般运行在5Hz以下时变频器过载能力减半；
（4）交—直—交变频器输出PWM调制电压波形的电压变化率du/dt很高，容易造成电机和电器的绝缘疲劳损伤；输出导线较长时，共模反射电压会在电机侧产生很高的电压，如果是两电平的变流器，这个电压的峰值是直流电压的两倍，如果是三电平的变流器，这个电压的峰值是中间一半电压的三倍；
（5）交—直—交变频器PWM调制将产生谐波、噪声、轴电流等问题。
3.4 交—直—交变频器的国产化研究
国产的交—交变频调速系统已成功应用于低速、大转矩的大型热轧机主传动，但对于高转速的冷轧机交—交变频器显然不具优势，冷轧机应采用交—直—交变频器。因此，大功率交—直—交变频驱动的冷连轧机国产化已作为国家“十一五”重大装备攻关项目。
冶金自动化院在国家863项目的支持下，研制成功一台5000kW的IGCT变流器，完成了驱动3600kW同步电机的工业性试验。目前，课题组通过充分分析国外IGCT变流器电路拓扑和结构，研制降低电路杂散电感的结构布置，使国产IGCT变流器能力已经达到了10MVA，而且体积大大缩小。
4、发展展望
大功率电力电子器件 篇3
中国工程院院士丁荣军介绍, IGBT芯片技术从6英寸发展到8英寸不仅是量上的变化, 更是“质”的飞跃, 其突破了新颖的元胞与保护环设计、高能质子掺杂、芯片铜金属化工艺等关键技术, 使芯片负载提高了50%, 材料成本下降了20%, 并改变了原有芯片生产模式。
由中国南车株洲所研制的这枚IGBT芯片, 切面为圆形, 布满128个小芯片, 每块小芯片只有指甲盖大小, 厚度仅两根头发丝, 其内部包含了6万个以上被称为“元胞”的基本单元, 可在数千伏高压下、约1秒时间内实现数万次电流开关动作, 将风能、太阳能等不稳定的能源输入转换为稳定的电流输出。
大功率电力电子器件 篇4
1 相关理论
1.1 电力电子无功功率平衡
要维持电力系统电压的稳定性, 就必须使电力系统中的无功功率保持平衡。系统中无功功率的平衡关系式如下所示:
(Qgc表示电源发出的无功功率之和;Qld表示无功负荷之和;Ql表示网络中
1.2 补偿容量不足时的无功功率平衡
要想保持系统电力电子无功功率平衡首先就要保证系统的电压水平正常。一般情况下, 系统无功功率电源提供的无功功率为Qgcn, 电压Un是无功功率平衡的条件Qgcn-QldQl=0决定的, 此时假设此电压为系统正常电压水平。事实上, 如果系统无功功率电源提供的无功功率仅为Qgc (Qgc QGCN) 系统中的无功功率也能平衡, 但此时的电压水平为U, 显然, U低于UN。在面临这种情况时, 采取一些必要的措施可以改变某台变压器的变比, 凭借这些措施提高局部地区的电压水平, 然而整个系统的无功功率仍然不足, 整个系统的电压质量的饿不到全面得提高。因为, 这种平衡是无功功率负荷本身具有的调节效应。
1.3 系统无功功率电源充足时的无功功率平衡
若整个系统的无功功率电源充足, 系统就具有较高的运行电压能力;反之, 系统运行电压能力低。因此, 应该力求实现在额定电压下的系统无功功率平衡, 根据这个要求来装设必要的无功功率补偿装置。
2 实行实时无功补偿和电压调理
2.1 控制无功补偿和电压优化的规则
此阶段的目标就是全网网损最小化、各节点电压合格化, 将调度中心作为实际的控制中心, 以各变电站的有载调压变压器分接头调理与电容器投切为控制手段。
2.2 控制流程
首先要进行的就是从调度自动化系统中收集相关数据, 送入电压剖析模块和无功剖析模块进行综合剖析, 将其变为调理指令和投切指令, 之后由调度中心、集控中心、配调中心控制系统执行, 以此循环往复。
2.3 无功补偿与电压优化的控制原理
将整个的电力系统电压无功限值区间的划分为9个区域。电压控制遵循逆调压的准则, 在电压的变化超出电压曲线的容许偏向范围或超出无功功率容许偏向范围的情况下, 根据整定的偏移量发出电容器投切指令或分接头调整指令, 从而到达调整电压和无功潮流的目的。
电压约束上、下限用U上、U下表示, 无功约束上、下限用Q上、Q下表示, 9个区域的动作计划如下。
(1) 1区:电压超下限, 无功超上限。设定电容器投入容量, 发出投入指令, 子啊电容器全部投入后, 电压仍低于U下时, 发出变压器分接头升压调理指令。
(2) 2区:电压合格, 无功超上限。发出电容器投入指令, 当电容器全部投入后运转点仍在该区, 则维持运转点。
(3) 3区:电压超上限, 无功超上限。发出变压器分接头降压调理指令;当有载调压已处于下限时, 再发出上一级变压器分接头调理指令。
(4) 4区:电压超上限, 无功合格。动作计划同3区。
(5) 5区:电压超上限, 无功超下限。发出电容器切除指令, 当电容器全部切除后, 电压仍高于U上时, 再发出变压器分接头降压调理指令。
(6) 6区:电压合格, 无功超下限。发出电容器切除指令, 当电容器全部切除后, 运转点仍在该区, 则维持该运转点。
(7) 7区:电压超下限, 无功超下限。发出变压器分接头升压调理指令, 当有载调压已处于上限时, 再发出电容器投入指令。
(8) 8区:电压超下限, 无功合格。动作计划同7区。
(9) 9区:电压、无功均合格。维持该运转点, 不发调整指令。
3 运转效果
3.1 降低线损
根据此项设计在应用前后3个月的网损的统计数据表明:在进行了实时无功补偿与电压控制系统后, 试用期间的三个月的月的节电量分别为300、34420MW-h, 由此可见此设计的降损节电效果显著。
3.2 进步了电压合格率
从此项设计应用前后的比照发现, 各点电压合格率均得到了进步。
3.3 改善了设备运转状态
由于在此项设计中施行了全网的实时无功补偿和电压调理, 变电所电容器均匀天天投切次数由以前的3次增加到9次, 主变分接头开关调理次数由以前的10次/, 降低到如今的5次/;同时, 高压侧功率因数由0.89进步到0.96, 这说明设备的运转状况得到了很大的改善。
4 结论
依照上文提供的无功补偿和电压调理设计, 整个系统的无功功率得到了自动实时补偿, 完成了从离线处置到实时处置的转化, 从而就地均衡扩大到全网均衡, 从单独的控制实现了集中控制, 革除了了人工监视、手动投切的种种弊端, 克服了响应慢、误操作、工作量大的缺陷。电压程度的合格性和稳定性得到了显著进步, 整个电网的网损降到了当下的最低水平。上文表明, 该项系统计划方案在电力系统具有良好的应用前景。
摘要：本文主要是依据无功率的平衡原理, 结合电力电子功率补偿的原则阐述电力电子功率补偿和电压优化控制的原理, 对实时功率补偿问题及其解决方案进行探讨, 旨在实现无功功率平衡、电压合格以达到降低损耗, 经济运行的目的。
关键词：电力电子功率补偿,处理,解决方案
参考文献
[1]唐艳, 王万新, 贺廉云, 王芳.九区图法优化实时无功补偿及其应用[J].电气时代, 2006 (03) .
[2]唐艳, 贺廉云, 王万新.电网谐波抑制优化策略[J].自动化技术与应用, 2006 (06) .
[3]尹德强.电力系统无功优化与无功补偿研究[J].黑龙江科技信息, 2010 (01) .
[4]徐岩.浅谈电力系统的无功补偿[J].安徽建筑, 2009 (02) .
大功率电力电子器件 篇5
电力电子功率变换器作为系统控制的中枢执行机构，广泛应用于电机驱动和各种电源系统中，但由于功率开关器件在工作时，要承受高电压和大电流，而自身过载能力有限，导致开关器件损坏的几率很大。据统计，工业应用的交流电机调速系统中，38%的故障来自于功率器件的损坏[1]。功率变换器一旦发生故障，如不及时处理，在一般场合会给工业生产带来极大的经济损失，尤其在航空、军事等安全性要求高的场合，将造成灾难性事故。因此，准确、快速地判断故障，及时诊断和定位故障受到了越来越多的重视。
一般地，功率变换器的故障可分为开关管的开路故障和短路故障。短路故障存在的时间极短，可在硬件电路上进行处理，也可以将快速熔丝植入电路中，将短路故障转化为开路故障，利用开路故障诊断方法加以处理[2]。文献[3]总结出了10种短路故障诊断方法。开路故障发生后，系统往往还能继续运行，不易被发现，这样导致其他功率器件流过更大的电流，引发转矩减小、发热和绝缘损坏等问题，如不及时处理，将发展成为极具破坏性的大故障，如系统瘫痪等[4]。因此，目前功率变换器故障诊断的研究重点都集中于开关管的开路故障。
2 功率变换器开路故障分类
以电压型三相全桥电路为例(其结构图如图1所示)，对常见故障进行分类。
功率变换器在实际运行时，很少出现三只或三只以上开关管同时故障的情况，针对常见的单管和双管故障情况进行分类，如表1所示。
当发生开路故障时，故障相电流、输出电压以及功率器件承受的电压都会发生幅值和相位的调制，因此通过对这些信号进行监测，利用相应的故障诊断技术可实现故障识别和定位。
3 功率变换器故障诊断技术
故障诊断方法分为硬件冗余方法和软件冗余方法。硬件冗余方法是最早应用于故障诊断领域的技术手段之一，可以有效地保证系统的正常运行。近年来有学者在逆变器开关函数模型和运行模式分析的基础上，根据故障和正常状态下桥臂下管承受电压的不同，采用简单的硬件电路来实现故障诊断，这种方法降低了成本，可靠性高，诊断时间短，适用性强[5,6]。然而，硬件冗余方法测试设备繁多，设计过程复杂，逐渐被软件冗余方法所取代。按照国际故障诊断权威———德国P M Frank教授的观点[7]，可将目前功率变换器软件冗余故障诊断技术分为三类:(1)基于解析模型的方法;(2)基于知识的方法;(3)基于信号分析的方法。
3.1 基于解析模型的方法
基于解析模型的功率变换器故障诊断方法的基本思想是利用功率变换器的数学模型，将估计的系统输出与测量信息相比得到残差，通过残差分析来实现电力电子装置的故障诊断。根据获取残差的不同方式，这一类故障诊断方法可分为状态估计法和参数估计法。
状态估计法利用功率变换器数学模型和各测量信号设计状态观测器，观测系统的可测变量，将观测值与实际值进行比较产生残差，分析该残差可达到故障诊断的目的。
文献[8]以变流器主回路输出电压为特征量，利用实际系统与参考模型特征输出量的残差实现故障诊断。该方法的输入量少、判据简单，特别适用于复杂电力电子电路的故障诊断。文献[9]以定子电流和机械速度为输出，将感应电机模型看作周期性解耦结构，利用dq轴方向残差实现了开关管故障隔离，并且多故障发生的情况也能得到解决。在这些研究中，电力电子变换器按照其开关周期被等效成一种“平均模型”。
参数估计法是将系统物理参数和模型参数的变化提取出来作为特征量进行监测和诊断故障的方法。功率变换器故障的发生往往导致系统参数的变化，因此通过检测参数的变化可实现故障诊断。基于参数估计的故障诊断框图如图2所示。
参数估计法与状态估计法在本质上是互补的，参数估计法在故障隔离上更有优势;其缺点在于系统的故障有可能引起模型结构的变化，为此可将该方法与其他故障诊断方法相结合。文献[10]以键合图为工具，提出了一种能应用于大功率整流供电系统特性研究的建模方法，为进一步研究基于模型的诊断提供了新的思路和方法。
近年来，由传统的解析模型发展而来的混杂系统模型故障诊断方法得到了关注。功率变换器中开关器件呈现出离散时间动态特性，状态变量却体现出连续动态系统特征，可看成一个典型的混杂系统。因此基于混杂系统理论的故障诊断方法在电力电子系统中得到应用[11,12]。
通过以上分析可知，基于解析模型的方法适用于已知精确数学模型的系统。虽然该技术相对来说已经比较完善，但在实际情况下，功率变换器系统参数是不确定的(如元器件参数的正常变化和系统故障)，负载扰动、电网扰动等噪声的干扰，以及开关器件的非线性和离散性等特性都导致无法对这种系统建立准确的解析模型。因此，在对复杂非线性系统进行故障诊断时，基于解析模型的故障诊断方法受到了很大的限制。
3.2 基于知识的方法
基于知识的方法是一种通过提前掌握被诊断对象的故障行为，利用故障树、专家系统、支持向量机和神经网络等手段，将故障症状组织起来进行故障诊断的方法[6]。
3.2.1 故障树
基于故障树的诊断方法采用数理逻辑表示故障之间的关系，对故障发生的原因进行推理分析，建立一个由故障特征到故障原因的树形图。故障树方法直观、明了，思路清晰，逻辑性强，结合其他算法，可实现功率变换器的故障诊断。
文献[13]基于随机森林算法建立故障树，实现了三相可控整流电路的在线诊断，大大提高了诊断精度和诊断速度。文献[14]针对三相逆变器，结合键合图理论，对传统的故障树进行了改进，通过建立系统的键合图模型进行因果分析，降低了遗漏的可能。
故障树的建立比较繁琐，容易出现遗漏，且这种方法理论性强，结果的可靠性依赖于分析人员本身的水平。使用故障树诊断的同时需要充分利用知识、系统的控制模型和历史数据，并且还要协同其他智能算法，才可以完好地建立和维护故障树，实现故障源的快速搜索，然而这些问题都还未得到解决。
3.2.2 专家系统
专家系统根据领域内专家的理论分析、实践经验等，利用计算机的推理能力模拟专家解决问题的思路，其原理框图如图3所示。
专家系统提供了灵活的人机交互界面，知识库易于修改，知识表达直观性强，诊断结果鲁棒性好，应用比较广泛。文献[15]研究了基于专家系统理论的风电变流器故障诊断方法，从预先得到的变流器故障知识中提取出有效的故障信息，再与变流器实际运行数据进行比较实现了故障诊断，解决了无法建立模型的问题。文献[16]结合模糊推理方法，将模糊专家系统应用于可再生能源电力电子设备的状态监测和故障诊断。
但是这种方法推导速度慢，知识库建立困难，实时性差。在知识获取时，如果出现未知情况或阈值对应的范围超出预判，系统将无法推理;在知识表示时，有的故障不能简单地使用规则进行推理，推理过程表述不清楚，也不能进行良好的诊断。
3.2.3 神经网络
神经网络通过学习，可以拟合任意的函数，包括非线性函数，它克服了功率变换器系统的建模困难，在故障诊断领域得到了广泛的应用[17]。
利用神经网络进行故障诊断时，一般需要利用小波变换、频谱分析等方法对故障信号进行处理。文献[18]利用频谱分析提取三电平逆变器桥臂电压的谐波幅值和相位作为故障特征信息，提出了多神经网络结构和算法，实现了单器件开路和多器件同时开路的多故障模式的诊断，并精确定位到故障器件。文献[19]利用快速傅里叶变换(FFT)对多电平逆变器输出电压信号进行变换，提取出故障特征作为神经网络的输入，从而实现了故障的分类。该方法具有很好的分类性能，但需要使用五层感知网络进行识别，导致诊断时间过长。因此文献[20]提出了主成分神经网络(PC-NN)故障诊断方法，利用主成分分析(PCA)降低神经网络的输入维数，减少训练神经网络的时间，同时降低噪声，改善映射性能。在该方法中，不同的主成分会引起结果的不确定性。为了更好地确定主成分，文献[21]对该方法进行改进，提出了基于遗传算法选择主成分的神经网络(PC-GA-NN)多电平逆变器故障诊断方法，结果表明PC-GA-NN具有更好的整体分类性能，比PC-NN高出约2.5%。
神经网络故障诊断采用并行结构与并行处理方式，特别适合处理大量的并行信息，且具有很强的自学习、自组织与自适应能力，因此有很好的应用前景。然而，训练样本获取困难、网络学习没有确定模式、学习算法收敛速度慢、训练时间长等问题还有待进一步的研究。
3.2.4 支持向量机(SVM)
SVM是一种基于统计学习理论的机器学习算法，与神经网络类似，通过对训练样本进行学习，掌握样本的特征，识别未知样本。基于支持向量机的故障诊断一般分为四步:特征信号监测、特征向量提取、SVM故障模型建立与诊断、维修决策[22]。
文献[23]利用小波包分析获取电力电子电路故障特征，基于支持向量机进行状态分类，实现电力电子电路故障诊断方法。该方法能准确定位故障元，计算效率高，且在小样本下具有很好的推广能力。文献[24]以三相桥式全控整流电路为例，利用小波变换对整流输出电压进行分解，以各尺度的高频部分能量为特征向量;根据支持向量机理论，提出了一种改进的一对多分类算法建立分类器，优化了支持向量机的训练和学习能力。
SVM在解决小样本、非线性和高维模式识别等问题中表现出特有的优势:(1)能在有限的样本中最大限度地挖掘隐含在数据中的分类信息;(2)应用核技术将实际问题通过非线性变换转化为高维空间中的线性问题;(3)巧妙地解决了维数问题，样本复杂度与维数无关。由于其出色学习性能和分类能力，SVM成为故障模式识别问题的研究热点。
3.3 基于信号处理的方法
通常不论是基于解析模型的方法，还是基于知识的方法，都需要先对监测信号进行处理。在功率变换器的故障诊断中，常用的信号处理方法有频谱分析、小波变换和信息融合等。
3.3.1 频谱分析法
功率变换器的故障信号通常具有周期性，因此可以用频谱分析方法将变量信号从时域变换到频域进行分析。基于频谱分析的故障诊断方法主要有傅里叶变换法和沃尔什变换法。
傅里叶变换将目标信号分解成若干频率分量，从中可提取出有用的部分。文献[25]针对变频驱动系统中的逆变器开关管开路故障，利用开关函数的双傅里叶变换技术，对直流侧电流进行处理，通过得到的频谱的低频成分实现逆变器的故障诊断。
沃尔什变换则将函数分解为一组沃尔什函数分量。文献[26]以三相桥式整流电路为诊断对象，对其输出电压进行沃尔什变换，得到直流分量和前三次谐波分量的幅值频谱特征值以及对应的四个相角特征值，根据这八个量来实现故障定位。由于沃尔什变换只做加减运算，所以执行速度比傅里叶变换快得多。
用频谱分析进行故障诊断时，信号中包含的频率分量必须是基波的整数倍，分析时窗内要恰好含有各次谐波的整周期采样值。功率变换器故障状态下的基波频率是波动的，难以保证采样频率为信号频率的整数倍;即使基波频率保持不变，也未必能保证采样频率为信号频率的整数倍，这严重影响了频谱分析的准确性。因此，频谱分析逐渐被小波变换所取代。
3.3.2 小波变换法
小波变换由傅里叶变换发展而来，小波分析提供了灵活的时频窗，高频时时间分辨率高，低频时频率分辨率高，在时频域都具有表征信号局部特性的能力，在故障诊断领域得到了广泛的应用。
文献[27]以风力发电系统中背靠背式变流器的整流状态为例，提出了基于小波包分析的变流器故障识别方法，利用直流侧输出电压信号的调制特点，从能量谱和功率谱的角度分析了小波包分解后的直流侧输出电压的细节信号，通过频谱特征识别出三相PWM整流器的各类故障。
小波变换能有效地提取出故障特征，与许多智能方法相结合，可以提高诊断精度。文献[28]对电机三相电流进行小波变换，将提取的小波系数输入到三层BP神经网络，从而识别出是否发生故障以及故障开关位置。文献[29]将小波变换、模糊逻辑和神经网络这三种方法相结合，利用小波变换从直流母线电流中提取出故障特征，用来训练自适应神经元模糊推理系统(ANFIS)，实现故障的自动识别和定位。文献[30]针对静止同步补偿器(STAT-COM)的IGBT开路故障，先对原始故障信号进行小波多分辨率分析，提取出特征向量，以改进的多核支持向量机作为故障模式的分类器，识别出各类故障信号。
小波变换具有良好时频分析特性，适于探测正常信号中夹带的异常现象，对于动态系统的故障检测具有优越性。但目前的研究主要集中于理论研究，如何将它应用到实际工程中是有待解决的问题。
3.3.3 信息融合方法
信息融合技术利用信息之间的冗余或逻辑关系，更全面、更精确地认识目标对象，为解决复杂系统故障诊断的不确定性问题提供了一条新的途径。
信息融合故障诊断按层次结构分为数据层融合、特征层融合和决策层融合。文献[31]基于特征层融合对光伏并网逆变器进行故障诊断，选择电网侧电流和桥臂电压为融合对象，利用小波变换对数据进行预处理和特征提取，将特征向量融合后输入到神经网络，实现故障诊断。
信息融合分为局部性融合和全局性融合。可以对某个检测量用不同方法进行诊断，实现局部性融合，以充分利用检测量所提供的信息;再将各方法得到的结果进行全局性融合。文献[32]就是采用的这种局部-全局的融合诊断方法。它针对电力电子电路中器件的故障诊断问题，提出一种基于模糊推理的分类器融合诊断方法。该方法建立神经网络和支持向量机2种子分类器对电路进行单独诊断，再利用模糊推理对2种子分类器的诊断结果进行融合，最终定位参数故障元件。仿真实验和分析表明，该方法诊断效果优于任意单个子分类器，且该方法对于随机噪声具有较好的鲁棒性。
虽然目前信息融合技术在功率变换器的故障诊断中的研究还不多，但由于信息融合能够为故障诊断提供更多的信息，该技术在电网等其他故障诊断领域已经得到了广泛的关注。故障诊断领域的理论具有相似性，可以相互借鉴，这为基于信息融合的功率变换器故障诊断研究奠定了良好的基础。
电力电子功率变换器故障诊断技术发展迅速，除上述方法外，还涌现出一些具有研究价值的方法。文献[33]提出了一种基于质心的检测方法，通过电流矢量轨迹质心的确定来识别逆变器故障位置和类型。文献[34]运用减法聚类分析对电流矢量进行处理，根据处理后的平均电流矢量的幅值和相角进行故障识别和定位。这两种方法都基于Concordia变换得到的电流矢量轨迹进行分析，文献[35]则利用相空间重构技术，得到表征系统故障特征的不同形状、直观的相电流轨迹图形，再通过模糊C均值聚类算法，对重构后的电流图像进行聚类分析，实现逆变器的故障诊断。相空间重构技术可以显示并提取出系统参数中隐含的不易被频谱分析或时域分析方法所检测的内在特征，因此在故障识别领域具有很好的应用价值。
4 结论
本文对现有功率变换器开关管开路故障诊断方法进行了介绍、对比和总结。功率变换器的故障诊断是一个有意义而又极具挑战的课题。功率变换器是一种非线性离散系统，要建立精确的数学模型十分困难，因此基于解析模型的故障诊断方法受到了很大的限制。
随着信息处理与人工智能技术的发展，将基于信号处理和基于知识的方法相结合的集成故障诊断方法得到了越来越多的应用，综合采用小波变换、专家系统、支持向量机和神经网络等方法，可大大提高诊断精度与速度。
大功率电力电子器件 篇6
随着现代社会的发展, 电子设备已经在人们的生产生活当中得到普遍应用。因此电子设备的可靠性对于人们的生产生活具有十分重要的作用。特别是在一些关键或核心领域, 即使是一个小的电子元器件出现问题, 都极易可能造成极大的危害。特别是近些年随着硅集成电路的普遍应用, 电路的集成得到了成倍的增加, 因此各电子元器件或芯片的热量也得到了相应的增加。同时在电子产品小型化, 高功率的背景下, 电子元器件或电子设备的散热问题就成为了保障设备安全可靠的关键性问题。因此对于现代电子元器件或电子设备若想保持安全可靠性就需要采取科学合理的热设计。
1 大功率电子元器件及设备结构热设计的考虑因素
1.1 大功率电子元器件及设备结构的传热方式
大功率电子元器件及设备结构的传热方式有三种, 即导热、对流和辐射。其中导热基本是由气体分子不规则运动时相互碰撞, 金属自由电子的运动, 非导电固体晶格结构的振动以及液体弹性波产生的。对流则是指流体各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程。对流仅发生在流体中, 且必然伴随着导热现象。流体流过某物体表面时所发生的热交换过程称为对流。辐射主要为电磁波一般考察与太阳、空间环境间的传热时才考虑, 其辐射传热系数为:
1.2 大功率电子元器件结温
从广义上将元器件的有源区称为“结”, 而将元器件的有源区温度称为“结温”。元器件的有源区可以是结型器件的Pn结区, 场效应器件的沟道区或肖特器件的接触势垒区, 也可以是集成电路的扩散电阻或薄膜电阻等, 默认为芯片上的最高温度。大功率电子元器件的最高结温, 对于硅器件塑料封装为125~150℃, 金属封装为150~200℃。对于锗器件为70~90℃当结温较高时 (如大于50℃) , 结温每降低40~50℃, 元器件寿命可提高约一个数量级。所以对于航空航天和军事领域应用的元器件, 由于有特别长寿命或低维护性要求, 并受更换费用限制以及须承受频繁的功率波动, 平均结温要求低于60℃。
1.3 大功率电子元器件的热环境
元器件的环境温度是指元器件工作时周围介质的温度。对安装密度高的元器件的环境温度只考虑其附近的对流换热量, 而不包括辐射换热和导热。热环境按下列条件设定, 冷却剂的种类、温度、压力和速度;设备的表面温度、性质和黑度;电子元器件和设备周围的传热途径。
2 大功率电子元器件及设备结构热设计的流程及要求
2.1 设计流程及要求
大功率电子元器件及设备结构热设计其实质是利用热的传递特性。在设计上利用一些冷却装置进而将电子元器件及设备的热量进行转移。其主要目的就是要为电子元器件及电子设备创造良好的热环境。因此其设计的主要环节为掌握各个环节的热效应参数, 并通过合理的冷却装置达到设备可靠性的要求。大功率电子元器件及设备结构热设计的流程为首先明确热设计目的, 而后掌握热设计原则, 了解热设计的要求和步骤, 利用正确的热设计方法最终得出热设计报告。一般热设计的要求应满足电子元器件或电子设备的允许最高工作温度, 满足电子元器件或电子设备的热环境工作要求, 满足电子元器件或电子设备冷却系统的限制要求, 满足相应的国家标准及规范。
2.2 设计原则
(1) 电子元器件或电子设备的升温由散热量来控制; (2) 大功率电子元器件及设备结构热设计必须选择合理的热传递方式; (3) 电子元器件或电子设备的功耗、热阻及温度是设计当中的重要参数; (4) 选取冷却系统应注重简单、有效、经济并适用于环境条件的要求; (5) 要通盘考虑尺寸、重量、电路布局等综合性因素; (6) 热设计需要与电气和机械设计紧密配合并保持实时性; (7) 热设计不允许有损于电子元器件或电子设备的电性能; (8) 其他具体性要求要根据产品的实际需求综合考虑, 并允许出现大的容差。
3 大功率电子元器件及设备结构热设计的主要参数计算
3.1 元器件总热阻
元器件总热阻=内热阻+表面热阻+外热阻, 其中内热阻一般由元器件生产商提供与设计和生产方法有关, 不是严格意义上的内热阻, 不受外部散热翅片或其它散热方式影响。表面热阻为元件封装上表面与散热翅片下表面间隙间的导热接触热阻无法准确预测, 即使最准确的实验测量也会有20%的误差。外热阻是电子设备热设计工程师可改变的以散热翅片为例, 外热阻与翅片材料的导热系数、翅片效率、表面面积和表面对流换热系数有关。
3.2 热沉和热流分配
热流量经传热途径至最终的部位, 通称为“热沉”。它的温度不随传递到它的热量大小而变, 它相当于一个无限大的容器, 可能是大气、大地、大体积的水或宇宙, 这取决于被冷却设备所处的环境。电子设备内的热流量以多种形式通过不同的路径进行传递, 最后达到热沉, 使各个节点的温度保持在所要求的数值范围内。从实际传热观点而言, 热设计时应利用中间散热器, 它们一般都属于设备的一部分。它们可以是设备的底座、外壳或机柜、冷板、肋片式散热器或设备中的空气、液体等冷却剂。
3.3 理论耗散功耗
电子器件产生的热量是其正常工作时必不可少的副产物。当电流流过半导体或者无源器件时, 一部分功率就会以热能的形式散失掉。耗散功率为:Pd=VI
如果电压或者电流随时间变化, 则耗散功率由平均耗散功率给出:
3.4 电感和电容
电感电路中没有能量损耗, 但是, 在储能、释能过程中, 电感与电源之间不断地进行着能量互换。这种能量互换的规模通常为无功功率PQ。由两个金属板极并在其间夹有电绝缘介质构成的能够积累电荷、储存电场能量的元件。电容器不消耗电源能量, 只是与电源作周期性能量互换。
3.5 冷却方法的选择
温升为40度时, 各种冷却方法的热流密度和体积功率密度值。冷却方法可以根据热流密度与温升的要求, 按图所示关系进行选择, 这种方法适用于温升要求不同的各类设备的冷却。利用金属导热是最基本的传热方法, 其热路容易控制。而辐射换热则需要比较高的温差, 且传热路径不易控制。对流换热需要较大的面积。在安装密度较高的设备内部难以满足要求。
4 结束语
综上所述, 大功率电子元器件及设备结构的热设计首先要掌握大功率电子元器件及设备结构的传热方式, 大功率电子元器件结温和大功率电子元器件的热环境。在这一基础上通过相应的设计流程和原则对元器件总热阻, 热沉和热流分配, 理论耗散功耗以及电感和电容等参数进行计算, 最终选定冷却方法进而完成大功率电子元器件及设备结构的热设计。
参考文献
[1]罗锐.海军机载电子产品 (电子方舱) 的可靠性设计与仿真试验[J].舰船电子工程, 2015, 4:16-18+50.
[2]张斌, 武沛勇, 韩凤廷.一种新型电子设备热设计分析[J].无线电通信技术, 2011, 5:41-43.
[3]胡丽华, 钟志珊, 赵杰.热管散热模组在机载电子设备热设计中的应用[J].航空电子技术, 2014, 2:35-42.
大功率电子设备风冷技术研究 篇7
随着超高速、超大规模集成电路的快速发展, 高度综合化的航空电子设备成为可能, 其中以F22/F35为代表的飞机均采用了以LRM (现场可更换模块) 为基础的综合化航电设备。综合化航电带来了一系列工程化的问题, 其中最主要的问题是功率和热流密度呈数量级的增加, 散热问题成为电子设备是否能够稳定工作的制约条件。
传统的飞机冷却介质一般为冲压空气, 而为解决大功率电子设备的散热问题, F22/F35均采用了液冷的方式。相比液体而言, 空气的比热容很小, 热交换困难, 优点则是简单、安全。但在冷却介质只有空气的情况下, 如何使电子设备稳定可靠地工作成为一个挑战。通常情况下, 当LRM模块功耗小于70W时, 可采用传导冷却的方式。当功耗大于70W而小于100W时, 可采用强迫风冷, 当功耗大于100W时, 则需采用液冷的方式散热。LRM的功耗可通过功能的划分进行控制, 当模块的功耗控制在100W以下时, 需详细考虑影响散热的各种因素并进行反复优化, 以确保设备的正常工作。
本文以某功耗为千瓦级、空气冷却的航电设备为例, 以仿真为基础, 以测试结果为验证, 综合考虑影响散热的各种因素, 对空气冷却的散热技术进行初步探讨。
2 系统要求
某电子设备总功耗约为1000W, 按功能划分为16个LRM模块, 模块的功耗在40~100W之间, 要求其在文献[3]规定的各种恶劣情况下稳定地工作。
3 热设计
3.1 模块热设计
模块的热设计需要考虑以下几个主要因素:模块的结构形式、模块布局、散热翅片的排布、材料的选择等各方面的因素。
(1) 模块结构形式的选择
目前LRM的主流封装规范有美国国防部发布的MIL-STD-1389D、NATO公布的ASAAC以及AEEC的ARINC650等。其中MIL-STD-1389D应用在F22上, 其特点是模块尺寸较小, 冷却方式为液冷, 而ARINC650中主要应用于民机或大型运输机。ASAAC中规定了几种风冷模块的结构形式, 根据冷却通道可分为直接风冷、空气贯通模块和空气环绕模块。直接风冷的缺点是对空气的品质要求很高, 且由于芯片面积所限, 传热效率低。由于空气贯通模块空间限制而内部的热交换器不能设计太大, 造成风阻较大, 或由于冷却接口可能影响连接器空间。空气环绕模块则充分利用了模块间隙作为冷却通道, 结构简单可靠。因此, 经过综合比较, 模块结构采用符合ASAAC规范要求的空气环绕模块。为最大限度地利用冷却空气的散热能力, 结合LRM电路设计的具体要求, 形成模块的结构示意图如图1所示, 散热方式如图2所示。
模块结构部分由三块结构件及拔插、锁紧装置组成, 模块内部封装两块或以上印制板, 芯片产生热量通过导热垫直接传递到结构件上, 然后被冷却空气直接带走。模块结构件外部设计散热翅片, 以提高热交换效率。
(2) 模块布局
对于风冷模块而言, 模块的布局对散热有很大的影响。因此, 在印制电路板设计时, 需与热仿真进行反复迭代, 认真考虑元器件的布局和建立良好的散热条件, 功耗大、散热大的元器件安装在印制板电路板的边缘, 接近壳体, 并接近冷却空气的入口。
(3) 散热翅片排布
由于模块内部封装了两块以上印制板, 因此, 模块上用于热交换的散热翅片的高度尺寸就得到了限制。在散热翅片高度一定的情况下, 不同的翅片结构会对散热产生一定的影响。如图3~图5所示, 不同的翅片有不同的散热效果, 在高度尺寸限定的情况下, 模块翅片的排布参数存在一个最优的值。
(4) 材料的选择
如图2所示, 芯片上的热量通过导热垫、模块结构件传至模块外表面, 通过冷却空气将热量带走。因此, 导热垫的热阻对整个模块的散热至关重要。一般推荐选用导热系数高、厚度薄的导热垫。但如果导热垫过薄, 结构件的加工误差和元器件的高度误差又无法消除, 选用时应综合考虑。
同时, 不同材料的模块结构件导热系数也存在较大的差别。目前考虑到重量和强度, 模块结构件一般采用高强度铝合金。表1给出了不同材料铝合金的导热系数。综合考虑材料的导热性能、强度、三防性能和可加工性, 模块结构件建议选用6061的材料。
3.2 整机热设计
(1) 芯片功耗的确定
在热设计中, 首先要确定的是芯片的热功耗。模块的功耗可直接测出, 而芯片的功耗则很难界定。一般而言, 芯片手册中均会给出起典型功耗, 但在实际的热仿真和测试中, 我们发现手册中给出的典型功耗与实际功耗之间的差异可能很大。目前我们解决此问题的方法是先根据芯片手册上给出的值进行热仿真, 然后测量其实际温度, 将实际温度反馈给仿真过程, 调整芯片的功耗, 使其温度与测试结果相近。然后再通过不同的板卡和不同的测试环境进行验证, 从而得到芯片功耗的真实值。芯片功耗的确定是一个工程积累的过程, 需要很多的仿真和测试验证。
(2) 机箱热设计
选用环绕式空气冷却模块, 机箱则成为一个开放的结构。在机箱的热设计中, 主要考虑的是如何使冷却空气与机箱能产生充分的热交换, 尤其是在冷却空气的入口部分, 由于此时的冷却空气温度较低, 热交换的效果将更明显。而作为风冷机箱, 机箱的外表面面积对整个散热的影响不大。经反复仿真, 在冷却空气入口处增加导热柱会明显提高机箱的散热效率。
另外, 不同的模块功耗不同, 因此在机箱设计时尽量考虑对不同功耗的模块分配不同的冷却空气流量, 以保证整机的温度均匀, 以及最大限度地利用空气的散热能力。
(3) 冷却空气流量
在文献[4]中对设备的冷却空气流量给出了一个参考值, 例如1000W的情况下, 如果提供5℃的冷却空气, 其规定的流量大约为不小于50kg/h。其理论依据是当5℃的冷却空气进入设备而排气温度为70℃时, 50kg/h的流量就可以带走1000W功耗产生的热量。考虑翅片的换热效率和芯片壳温限制的情况, 如果满足以上条件, 翅片高度需达到120mm左右, 此结构形式在安装空间上是不可实现的。
因此, 空气流量的确定只能按照参考仿真的结果确定。参考以前产品设计和实际芯片的热耗散, 同时兼顾芯片的可靠性, 目前仿真的限制条件为元器件最高壳温不大于100℃ (元器件容许壳温为125℃) 。
4 热仿真
通过以上的热设计, 在对各种参数均进行优化的基础上, 对整机进行热仿真。热仿真过程中对模型有一定的简化, 但应以不影响产品的热参数为原则。仿真和测试之间互相迭代, 以保证热仿真的可信度。
热仿真的结果显示, 在冷却空气温度为5℃、流量为140kg/h的情况下, 可保证芯片的壳温不高于100℃, 从而使整机能稳定可靠地工作。
5 热测试
在热仿真的指导下, 通过对机架及模块进行了逐步改进, 我们对最终的产品进行了各种试验和测试, 以验证仿真的可靠性, 并对下一步的仿真形成反馈, 提高仿真的真实性。
5.1 热测试环境
热测试环境严格按照文献[3]中规定的+70℃的工作环境, 提供140kg/h的冷却空气, 冷却空气的温度为5.4℃, 整机的功耗为1042W, 采用温度传感器对器件壳温进行测试。测试项目包括高温存储、高温工作、温度高度试验等。
5.2 测试结果
测试结果表明, 整机的热设计可以满足产品的性能要求, 热仿真的误差基本在10%, 结论是完全可信的。
6 结论
空气冷却的综合化电子设备在模块功耗不大于100W的情况下, 可以通过多种热设计方法, 反复进行仿真和优化, 并通过测试对热仿真进行反馈和迭代, 可保证其在文献[3]要求的高温环境下稳定可靠地运行。
参考文献
[1]MIL-STD-1389D, Design Requirements For Standard Electronic Modules[S].
[2]ARINC650, Integrated Modular Avionics Packaging And Interfaces[S].
[3]GJB150-1986, 军用设备环境试验方法[S].
[4]GJB2882-1997, 机载电子设备通风冷却系统通用规范[S].
大功率电力电子器件 篇8
1 大功率广播发射台电力系统自动化系统的运行现状
无线局承担着实现广播电视安全传输和发射的任务, 近年来, 随着无线局传输任务的不断提升, 使得电力系统在其具体应用中的规模也在不断的扩大, 而发射台在具体应用中对供电系统的可靠性运行也提出了更高的要求。有统计表明, 我国所出现的停播事故, 有70%以上是因为供电系统的原因, 所以, 在发展运行中, 无线局加大了对电力系统的技术改进和引导, 使得具体运行中供电系统的可靠性和安全性得到有效提升。
电力系统的自动化是进行电力技术改造的过程中所形成的现代化的发展状态, 微型计算机是其基本的发展和运行基础, 并在基本应用中有效改变了常规运行中难以同外界实现通信的基本缺陷, 对传统的变电站控制法时、通信、继电保护、管理模式、测量手段等完成了全面化的升级[2]。在大功率广播发射台的基本运行中存在着强烈的电磁干扰现象, 使得在具体运行中对电子设备的正常运行产生影响, 这就需要对发射台的电力系统的自动化进行微机综合系统化的保护, 实现有效的抗干扰, 确保具体应用中广播信号的正常传输。
2 实现抗干扰的技术措施
随着网络信息化的发展, 系统化的电子设备在规模和数量上都在不断的扩大, 将其应用到网络设备中时, 本身的工作电压相对较低, 所以出现过电压现象时, 就会对其基本运行造成干扰和破坏, 情况严重时会损坏整体系统的运行, 在瘫痪状态下造成极大地经济损失。于大功率广播发射台而言, 其具有更加复杂的电磁场环境, 在运行中对于电力系统的干扰更加复杂, 一旦进入变电站的综合系统就会造成对元器件和部件的损坏, 使得整体系统难以正常运行。这就需要针对性的采取有效措施, 强化电力系统自身的抗干扰能力。
2.1 清除干扰信号来源。
高频感应信号在电源导线的作用下直接耦合到电路中所形成的干扰是极为常见的一种干扰状态, 一般可以通过滤波措施来实现对传导干扰的抑制。电力系统自动化的微机保护装置所采用的电源供电都是直流形式, 在进行抗干扰的处理时, 可以在直流供电回路中进行交流滤波装置的安装, 使其在运行过程中可能受到的信号干扰最大化的进行过滤, 为保护装置提供一个干净流通的直流电源环境。此外, 还可以在对微机保护装置进行内部的软件控制时, 进行数字滤波的应用, 以保证装置对计算机芯片供应的电源精度。最后, 还可以强化对信号回路的屏蔽工作, 比如对微机保护装置中的所进出的信号线采用屏蔽电缆, 这在一定程度上就绝缘了干扰因素的进入, 而且屏蔽电缆的双端均需实现接地, 以最大化的实现对抗干扰处理, 使保护装置的共用能够有效的发挥。
2.2 加强转制结构的抗干扰。
为了实现微机保护装置的正常有效运行, 不仅需要从回路和电源方面进行抗干扰的处理, 还要对保护装置内部强化结构屏蔽, 比如开关柜内的仪表柜。就其内部的插件方式来看, 多为背插式的整体结构, 以有效实现门外机箱同外露开关柜之间的整合一体化, 实现对磁场的有效屏蔽。在整个过程中, 需要都以整体的铸铝结构实现对金属机箱结构的密封, 这样的整体环境会使其自身的散热功能高于基本的组合式机箱, 能够在高磁场的环境中有效实现, 以防治干扰信号的进入。在具体的内部装置完成之后, 需要确保装置外壳的有效接地, 使其形成一个整体可靠的等电立体位状态, 实现整体性的抗干扰能力[3]。
2.3 强化元件的抗干扰能力。
实现电力系统三个CPU工作的并行运行, 能够有效的进行抗干扰的形成。这就需要在具体运行中将保护、采样、管理等三个功能在CPU并行工作的前提模式下, 进行相对独立化的嵌入式运行, 有效减轻CPU的运行负载, 使得其在基本工作中通过自身的设备能力对外来干扰有效的抵抗, 因其自身居于极其强化的互检和自检机制, 能够对干扰因素及时有效的分析和感知, 具有极强的可靠性。另外, 还可以采用表面贴工艺和芯片, 使其在具体施工中将自身良好的抗震性和抗干扰能力得到最大化的发挥, 使具体的抗干扰能力得到整体的可靠性保证。
2.4 实现接地方案的完善。
实现合理、完善的接地方案确定是进行抗干扰提升最实用和便捷的应用措施, 将其应用放到具体施工时, 需要从电台的基本状况出发, 然后再遵循其应用原则的基础上进行有效的方案制定。
一般情况下, 高频接地进行具体考察时需要将配线间和设备间的防治设备一并进行考虑, 确保整体性的接地有效性。基本的考察完成之后, 需要对具体的方案运行进行明确化的管理, 实现整体化的一致接地, 比如将安全保护地、交流地、屏蔽地、防雷保护地、直流地等通过“一点连接”的方式实现联合接地, 将整体性的接地电阻控制在1Ω以内, 在实现建筑物的整体等电位连接时, 一般情况下还需要进行局部区域的辅助辅助等电位连接, 确保整体的一致有效性。另外, 电源电路和信号电路、低电平电路和高电平电路之间不应该进行共地回路的使用, 以避免回路状态下的电磁干扰。最后, 还需要主义灵敏电路的接地问题, 需要进行各自的屏蔽或者隔离, 以有效避免出现静电感应或是电线电流回流等现象而出现干扰问题。从各个环节确保整体方案设置的有效性, 确保完善之后的施工建设具有极强的抗干扰能力, 实现广播信号的有效传播。
结束语
大功率广播发射台电力系统自动化的实现是基于我国现今的社会和科技发展状态以及整体性的国家趋势, 在技术和经验的支持下有效实现了技术的创新和完善, 并在具体的应用中实现了对抗电磁波干扰的成功经验, 对于后续的电力系统的运行和维护有了指导性的现实发展意义, 更加确保了广播播音的信号安全和质量, 并在电力环节提供强有力的屏障保护。
参考文献
[1]周海清.广播发射台变电站自动化系统的抗干扰研究[J].数字技术与应用, 2014, 11:110-111.
[2]傅培鑫.大功率广播发射台计算机实时监控系统的抗干扰及取样技术[A].国家广播电影电视总局人事教育司、科技司.全国广播电影电视系统首届中青年优秀科技论文集[C].国家广播电影电视总局人事教育司、科技司, 2001:4.