基于ANSYS Icepak 的塔基控制柜热仿真分析

文 | 梁瑞利，肖进

塔基控制柜作为兆瓦级风电机组控制系统一个重要的组成部分，为了保证塔基控制系统安全、可靠的运行，塔基控制柜的热设计已成为一个关注的焦点。塔基控制柜热设计系统性能的好坏直接影响到电子元器件的工作状态、工作性能以及工作寿命，从而影响整个风电机组控制系统的正常运行，因此塔基控制柜的热设计与热仿真是很有必要的。

为了对塔基控制柜散热性能进行评价，仿真技术已成为一个不可或缺的关键技术，目前国内外热分析软件可分为两类：第一类为一般的通用热分析软件，例如Flotm、Algor等，它们并不是根据电子设备的特点而编制的，但可用于电子设备的热分析；第二类是专用的电子设备热分析软件，比如Icepak，是专门针对电子设备的特点开发的，具有较大的灵活性。因此，本文选用ANSYS Icepak软件对塔基控制柜温度场和速度场进行仿真分析，可以指导后续的热改进，加强柜内的散热速度，降低柜内温升，提高塔基控制柜的可靠性。

塔基控制柜组成

塔基控制柜柜体采用焊接式结构形式，柜体四周采用Q235B碳钢材料，表面喷塑处理。柜体由背板、顶板、底板、左侧板、右侧板、左门板以及右门板组成，柜内结构部分由主安装板、左安装板、线槽、导轨、各种电子元器件等组成。该塔基控制柜散热方式采用自然冷却。

使用PROE参数化建模软件完成了塔基控制柜模型的建立，机箱的组成如图1所示。外形尺寸为830mm×1110mm×385mm。

塔基控制柜热设计分析

塔基控制柜的使用环境温度为-40℃-40℃；冷却方式：自然冷却。各发热电子元器件的参数如表1所示。

在高温、潮湿、烟雾以及灰尘等恶劣环境条件下，塔基控制柜中的金属材料会遭到腐蚀破坏，非金属材料也容易老化和失效，导致电子元器件的性能降低，影响塔基控制柜的运行，同时对柜体的电磁兼容性也有一定的相关要求，所以塔基控制柜采用四周密封的柜体，密封效果和防护等级也要达到一定的要求。

通过上述整个塔基控制柜的结构设计和布局设计来看，内部发热电子元器件工作时产生的热量主要是从电子元器件的表面传递到柜体四周的壁面上，柜体外壁的热量主要通过自然对流全部散出到外部空气中；电子元器件与四周结构件之间保持一定距离，至少是13mm，以利于增强自然对流的效果；对于热量大的元器件放置在柜体顶部，比如PLC模块，对于热量小的元器件放置在柜体底部；各发热元器件要尽量做到均一分布，以免引起热源集中；对于热敏元器件要尽量远离发热量大的元器件。

图1 塔基控制柜的模型

通过计算柜体外壁与外部空气自然对流散热的热流密度可以分析整个塔基控制柜的散热情况。柜体内12个发热元器件的总功耗为：

式中Q1为电源模块的热耗，10W；Q2为处理器模块的热耗，11W；依此类推，Q12为电网监视器的热耗，8W。

柜体稳态下散热表面的热流密度为：

式中，A为柜体散热总面积，经计算A＝16682 cm2。

由表2可知，φ＜0.039 W/ cm2，因此整个塔基控制柜可以考虑以自然冷却的方式来散热。

塔基控制柜自然冷却的仿真计算

一、热模型的建立

根据塔基控制柜的结构，建立热仿真模型，首先使用ANSYS DesignModeler 模块将由PROE导入的塔基控制柜模型进行简化，略去螺钉、螺母、倒角、圆角、安装孔等不影响热流路径的局部细节，然后通过ANSYS Workbench 平台将DesignModeler简化后的模型导入到ANSYS Icepak中进行热仿真。简化后的模型如图2所示。

图2 塔基控制柜热分析简化模型

表1 电子元器件参数

表2 冷却方法的选择标准

图3 柜体外壁的温度云图

图4 XY切面的温度分布云图

图5 电子元器件的温度云图

图6 XY切面速度矢量图

表3 PLC模块温度分布表

二、热模型边界条件的输入

热模型的环境温度设为40℃；散热方式为自然冷却，整个塔基控制柜参与辐射换热，辐射换热温度为40℃；柜内为自然对流，其流态为湍流；输入柜体、各电子元器件以及其他组件等相关的设计尺寸和材料属性；输入各电子元器件相应的热耗；输入自然冷却换热系数10W/m2·K（自然冷却换热系数经验值）。

三、热仿真计算结果

在环境温度为40℃时，整个柜体达到热稳态时的温度分布状态如图3所示，柜体最高温度为49.2℃，安装在柜体上的触摸式平板电脑的最高温度为49.4℃，由温度分布情况可知，柜体的热源主要集中在顶板上。

图4为XY切面的温度分布云图，图5为电子元器件的温度云图。由图可知，切面的最高温度为70.1℃，柜内热量主要集中在PLC模块周围部分，PLC模块的最高温度如表3所示。由表3可知，PLC模块周围存在局部过热现象，其最高温度超过了模块允许温度，因此后续要对PLC模块局部范围进行热改进，比如采用结构改进方式或强迫风冷的方式。

图6为XY切面速度矢量图，由图可知，切面上流体的最大速度为0.17m/s，可以看出整个柜体外壁的整体流速比较大，说明整个塔基控制柜主要是通过外壁与外部空气进行自然对流实现散热，而且成为最主要的热流路径。

结论

通过分析整个塔基控制柜的散热情况、计算自然冷却条件下的热流密度，使用ANSYS DesignModeler简化热仿真模型，并使用ANSYS Icepak软件对整个塔基控制柜进行热仿真分析，最后获得了整个塔基控制柜系统热平衡状态的温度场、速度场以及各电子元器件的最高温度。根据热设计分析和热仿真计算，可以得到以下结论：

塔基控制柜在自然冷却的情况下，最高环境温度为40℃时，塔基控制柜达到热稳态时的热流密度小于自然冷却的标准值；从整个仿真分析结果来看，整个塔基控制柜主要通过柜体外壁与外部空气进行对流换热，但从温度分布情况来看，顶部PLC模块周围局部过热，主要是由于热源集中，热量无法完全通过自然对流散出去，因此后续主要是采取热结构改进或强迫风冷的方式对顶部PLC模块进行散热。热仿真分析可以为后续热改进提供一个准确的方向，同时也为其他电子设备的热仿真分析提供相关的参考。

摄影：王志远