船用电动起重机电气柜散热分析与优化

夏 群，徐鹏远，陈雷阳，卞晓磊

（南京中船绿洲机器有限公司，南京 211162）

0 引言

电气柜是机电能量转换的核心装置之一，是决定船用电动起重系统性能的主要因素[1]。然而，电气柜在能量转换过程中会产生大量热损耗。由于电气系统控制室的空间有限，无法为自然对流散热提供足够空间，导致电气柜内部和外部的温度快速上升。因此，电气柜散热困难成为提高电气系统性能、降低系统体积和重量的重要瓶颈。

采用风扇对电气柜内部进行散热是降低电气柜元件温度的有效手段之一。由于电气柜内部元件不仅发热总损耗较大，且热量分布不均匀，风扇和进/出风口的安装位置与数量成为决定电气柜温度分布的重要因素。传统电气柜散热风扇选型是根据发热量、容许温差、空气热容量计算风量需求，再结合电气柜内部的风阻特性曲线，选择合适的风扇特性曲线，即风量-压力曲线。然而，一般的解析计算方法难以对风阻进行准确计算。此外，风阻曲线和风量-压力曲线仅能用于整体温度估算，不能提供电气柜中的高损耗元件等局部温度信息。

针对上述问题，本文将以电气柜系统中的主控制柜为研究对象，针对电气柜的内部元件排布、风扇和进/出风口位置的选择进行研究，通过数值计算的方法，对多种方案进行对比，以实现电气柜散热设计的优化。

1 电气柜散热设计基本原理

电气柜散热设计主要考虑气体流量、风阻特性和热源分布情况，以下将进行具体讨论。

1.1 流量对散热的影响

电气柜产生的热量主要是由风扇产生的气流带走的。当流动的空气经过发热元件时，空气会被加热，导致空气温度上升。因此，进风口和出风口空气的温度差可以用于衡量气流带走的热量。当电气柜元件温度达到稳态时，元件的发热量将等于气流吸收的热量，其关系可用式（1）表示[2]。

式中：P为元件发热功率（即空气的吸热功率），W；ΔT为进风口和出风口空气的温度差，K；C为空气比热容，J/(kg·K)；Q为空气流量，m3/s；ρ为空气密度，kg/m3。

式（1）假设气流与发热元件充分接触，即所有气体均流过元件表面。实际上，由于电气柜中的元件分布在整个柜体内，大部分元件仅能与部分气流接触。因此，流过每个元件的空气流量不等于风扇流量，各元件的散热效果可能存在较大差异。

1.2 风阻特性曲线的影响

电气柜散热风扇的基本特性为风量-压力曲线，也称为P-Q曲线[3]。如图1所示，风扇的风量与静压具有非线性的关系，且不同的风扇具有不同的P-Q曲线。

尽管风量需求能通过式（1）进行计算，但风扇的工作点是由P-Q曲线和系统的风阻曲线同时决定的。如图1所示，P-Q曲线1与风阻曲线1和2分别相交A点和C点，P-Q曲线2与风阻曲线1和2分别相交B点和D点。

图1 风扇工作点

由此可见：当实际风阻曲线为1时，P-Q曲线2对应的风扇能提供更大的风量，散热效果更好；当实际风阻曲线为2时，P-Q曲线1对应的风扇散热效果更好。显然，在给定风扇型号的前提下，风阻越小，风量越大，散热效果越好。在风扇型号可选的情况下，电气柜的散热性能不仅由风扇的风量-压力特性决定，而且与系统的风阻特性密切相关，因此风扇的型号需要结合系统风阻特性进行选择。

1.3 元件安装位置的影响

除了考虑风扇特性曲线和电气柜的风阻，电气柜的散热设计还需要考虑气流的路径是否能带走最大热量。从原理上来说，发热元件安装地点的变化会同时改变系统风阻和经过该元件的风量。在保持系统气流路径基本不变的前提下，将发热功率较高的元件安装在风量较高的地点有助于降低该元件的温度。

图2为电气柜示意图，方块代表安装在柜体内部的各个元件，进风口在左下角，风扇安装在右上角，电气柜中间有隔板和开孔。假如将发热量较大的元件（如变压器）从图2(a)中的点A移动到图2(b)的点B，由于变压器挡在气流的主要路径上，系统的风阻可能有轻微上升，但系统的绝大部分气流都将经过变压器，可以预见变压器的温度将会下降。

当风速较低时，气流分层平稳流动，雷诺系数较小，可以认为是层流；当风速较高且路径复杂时，雷诺系数较大，湍流就会出现。电气柜中气体流速一般较大，大多数情况下属于湍流。因此，图2中的气流方向是对实际情况的简化，真正的气流方向需要通过数值计算进行分析[4-5]。

图2 改变元件安装位置对风阻和流量的影响

2 电气柜散热性能的优化

2.1 电气柜散热性能优化流程

由以上讨论可知，电气柜的风扇特性、风阻特性和元件安装地点都会对系统的散热性能产生影响。因此，笔者提出如图3所示的电气柜散热性能优化流程。

工程内的显著污水排放口和雨水口分别为6个和3个，因此为了强化水域范围可接受的点源和面源污染，于河道内设置了35个悬浮球填料以及弹性填料而构成的生物膜水体自净化设备，设备大小为1.0m×1.0m×1.0m的立方体，根据载体的参数和数量计算，显示每个自净化设备的表面积均为100m2。将35个自净化设备分为20个和15个，分别放置于河道汇集面源污染的雨水入河口下游和因为河道涨水而倒流进入处，以此来实现对污染物的有效拦截降解。

图3 气柜散热性能优化流程

具体优化过程如下：

1）按照功能要求，结合工程经验和实际条件限制，初步设计电气柜的尺寸和元件排布。该设计称为初始设计。

2）根据已知的元件尺寸、发热功率、材料特性和风扇特性建立初始设计的温度场数值计算模型，计算初始设计的温度分布。

3）根据温度计算结果，对高温元件、风扇和进/出风口的安装地点坐标、尺寸等进行参数化。

4）采用参数扫描或者遗传算法等优化算法，计算电气柜在不同设计下的温度分布，对目标元件的温度进行优化。

5）如优化结果可满足设计要求，则优化完成；如优化结果仍然不满足要求，则需要重新考虑风扇的选型，并进行新一轮的温度场计算，直到满足设计要求为止。

以下将以简化的电气柜的散热设计为例，验证所提方法的有效性。

2.2 初始设计结构

电动甲板起重机的电气控制系统一般将主控制柜、变频驱动、起升电机控制、回转电机控制等电气功能封装到不同的电气柜中，并将这些电气柜安装到同一个电气控制室。本文将以主控制柜为例，对电气柜的散热设计进行分析和优化，但所提出的方法同样适用于其他类型电气柜的散热设计。传统电气柜工作环境的温度范围一般在−25～45 °C。因此，下文将假设环境温度为40 °C。

如图4所示，本文讨论的主控制电气柜分为上、下2个部分，中间通过隔板分开，隔板的主要目的是将强电部分和弱电部分分开。电气柜左下方为进风口，右上方为风扇安装位置。

图4 电机柜基本结构图

图5为电气柜初始设计元件分布图。绝大部分元件安装于电气柜内部背板上，主要包括变压器、断路器、加热器和熔断器等。电气柜上层元件的供电线经过隔板的方形孔进入柜体下层，再由柜体底部穿出柜外与电源连接。电气柜中的电源线数量虽多，但发热功率较低，对温度场计算结果的影响较小。因此，以下分析将忽略电源线。中间隔板上安装有加热器，当环境温度过低时，加热器可用于提高电气柜温度。

图5 电气柜初始设计元件分布图

2.3 初始设计温度场计算

电气柜内各元件的发热功率如表1所示。

表1 电气柜元件发热功率

风扇的特性曲线图如图6所示，温度场和流速场的计算结果如图7所示，流速分布如图7中箭头所示。计算结果表明：变压器T1的温度高于其他元件。以变压器的温度优化为例进行讨论。

图6 电气柜风扇特性曲线

由图7可知：风扇向外排气，气流从左下方进风口进入柜体。由于流速较快，气流进入柜体以后部分流向隔板的开孔，部分在下柜体内部回旋后再通过开孔。原设计将变压器放置于下柜体的左上角，气流速度和流量都很低，导致变压器散热困难。如图7(b)所示，变压器T1最高温度为128.6 °C。

图7 电气柜初始设计计算结果

2.4 模型参数化及高温元件温度优化

上述分析可知，变压器T1是电气柜中的的最高温度元件。因此，有必要对变压器的散热条件进行优化。从式（1）可知：流经T1的空气流量Q越大，带走的热量越多，变压器温度越低。

由图7(a)可知：下柜体右侧（由椭圆虚线圈出）的流速较快。当截面积固定时，椭圆虚线所在点单位时间内的气流量较大。因此，为充分利用较快的流速，可将变压器移动到下柜体右侧，并将变压器沿垂直方向的安装高度参数化。

以变压器原垂直高度为参考零点，以向下移动为正方向，计算变压器垂直高度范围在0～0.4 m的温度变化。计算结果如图8所示：当变压器往下移动0.3 m时，变压器的温度下降为105 °C，与初始设计的128.6 °C相比，下降了23.6 °C。优化后的流速场和温度场计算结果如图9所示。

图8 变压器垂直高度变化时的温度变化

图9 优化后的流速场和温度场计算结果

优化后各个元件的温度如表2所示。

表2 优化前后元件温度对比

显然，除变压器外，绝大部分元件的温度基本没有发生变化，仅有断路器1的温度发生了明显变化，从90 ℃下降到72 ℃。其主要原因是：优化前断路器1非常靠近变压器，由于变压器温度较高，断路器1受到变压器的加热。优化后，断路器1远离热源（变压器），且热源温度下降，断路器1的温度随之下降。由此可见：在不增加成本和对其他部分进行大改动的情况下，通过优化元件的安装位置来降低高温元件的温度，这是可行性较高的做法。

3 结论

高效、节能是电动起重机的主要性能指标之一。宽敞的空间有助于电气柜的散热，可帮助电气元件运行在适当温度下，提高运行效率和寿命。然而，船舱有限的空间要求电气柜的体积必须最小化，导致电气柜散热困难。针对这一问题，本文分析了电气柜散热的基本原理，给出电气柜散热设计的一种优化思路。本文以简化后的控制柜为例子，采用参数化数值分析模型，计算了电气柜的流速场和温度场分布，对高温电气元件的温度进行优化，实现了温度的有效控制。本文所提出的分析方法和优化流程可以为电动起重机电气系统性能的进一步提高提供技术支撑。