继电保护及自动化设备热设计探讨ppt课件

1、继电维护及自动化设备继电维护及自动化设备热设计讨论热设计讨论.报告内容报告内容摘要经过对继电维护及自动化设备过热运用危害的分析，论述了热设计控制的详细措施和本卷须知，同时提出运用先进的热分析软件对热设计进展验证与优化。关键词继电维护及自动化设备；热设计；控制措施.内容纲要 0 引言引言1继保设备的热设计控制 2 计算机辅助热设计计算机辅助热设计3热测试维护设计 4 结语结语.0 引言引言热设计定义继电维护及自动化设备的热设计，是指采取积极有效的措施对元器件、组件以及整机的温升加以控制，使其不超越可靠性规定的限值，从而确保设备平安可靠地运转。.过热运用的危害在继保设备中，功率逸散通常以热能耗损的

2、方式表现出来，而任何阻性载流元件都是一个内部热源。现代继保设备正日益成为由高密度组装、微组装所构成的高度集成系统，其热流密度日益提高，设备任务时，如假设热控制不当将会导致元器件散热不良：1.电阻允许耗散功率下降，热噪声增大；2.电容器的电容量、功率因数变化，寿命降低；3.半导体器件参数漂移，性能变坏，甚至热击穿；4.大级别的温度梯度还会使器件和PCB产生热应力变形并最终导致疲劳失效。.图.1元器件任务温度与缺点率的关系曲线微电子器件（MOS管件）元器件工作温度与故障率的关系曲线故障率图.1晶体管（硅.NPN50%）温度可变电阻电阻微电子器件（双极数字电路）.1 继保设备的热设计控制继保设备的热

3、设计控制1.1热分散的根本方式1传导散热热能经过分子运动由高温部分向低温部分传送。措施有：a选用导热系数大的资料制造传导零件；b加大与发热体的接触面积；c缩短传导途径。.v2对流散热v流体外表间的热流动，分为自然对流和强迫对流。v措施有：va加大温差；vb加大流体与发热体的接触面积；vc加大周围介质的流动速度。v3辐射散热v热由物体沿直线向外散射出去。v措施有：va加大发热体与周围环境的温差；vb加大发热体外表面积；vc在发热体外表涂覆散热涂层。.1.2热设计的控制措施为控制或减少设备内部的温升，可采取以下措施：1热源处置；2热阻处置；3冷却处置。.热设计的控制措施间接冷却方式其它冷却方式散热

4、器的安装直接冷却方式元器件的布局散热器的选用冷却处理热阻处理热管传热换热器冷却热电制冷涡流制冷冷板冷却自然风冷强迫风冷沸腾冷却式油冷式水冷式气冷式液冷式合理设计印制电路板印制板与机箱的连接方法特型元器件温度补偿与控制元器件降额使用和优选热源处理.1.2.1.1元器件降额运用和优选；1.2.1.2特型元器件温度补偿与控制；1.2.1.3合理设计印制电路板；1.2.1.4印制板与机箱的衔接方法。1.2.1 热源处置热源处置元器件的功耗是设备内部热量的来源之一，对其采用的热设计方法主要有：.1.2.1.1元器件降额运用和优选元器件的降额运用即是使其在低于额定参数功率、电压、电流的条件下任务。另外优选

5、用高磁导率的坡莫合金、非晶合金制造的变压器，超低电压下任务的CPU以及发热量小的LED或LCD等，都将直接减少热量的产生。.1.2.1.2特型元器件温度补偿与控制1选用温度不敏感的元器件；2选用特定温度系数的元器件；3选用温度敏感的元器件。.1.2.1.3合理设计印制电路板1对PCB基材进展适当的选择，对覆铜层压板的热性能应有特殊的要求：要耐高温、导热好，任务温度在-23260间。尽量选取具有相对优良热性能的金属芯PCB，以减少其图形导线的温升。2印制电路板上电源线、地线、信号线的布置要合理。地线可适当加宽，环绕在外框上，以利于发热元件的直接散热。3采用多层板，使电源线或地线在电路板的最上层或

6、最下层，并方便在板面上加设散热安装，以加速散热。.1.2.1.4印制板与机箱的衔接方法必要时利用PCB上的接地线与金属导轨相接触，添加热容和热传导途径。.1.2.2 热阻处置热阻处置 热阻用来阐明发热元件结面温度到外部环境热阻用来阐明发热元件结面温度到外部环境的热转换才干，用的热转换才干，用/W来表示。热阻的大小决议着来表示。热阻的大小决议着散热安装的额定值，所以必需在发热元器件与温度散热安装的额定值，所以必需在发热元器件与温度较低的终端散热器之间采取有效措施以构成一个低较低的终端散热器之间采取有效措施以构成一个低热阻高热导通道。热阻高热导通道。1.2.2.1 合理规划元器件；合理规划元器件；

7、1.2.2.2 合理选用散热器；合理选用散热器；1.2.2.3 合理安装散热器。合理安装散热器。.1.2.2.1元器件的规划1元器件安装在最正确自然散热位置。条件允许时，机箱内部电路安装应服从空气流动方向：即进风口放大电路逻辑电路敏感电路集成电路小功率电阻电路有发热元件电路出风口；2高发热元件尽量单独布置在一个印制板上，控制相互间距，并进展密封、隔离、接地和散热处置；3元器件在印制板上要竖立排放；4元器件散热通道要短、横截面要大而且通道中不应有绝热或隔热物。.1.2.2.2散热器的选用选用散热器的主要根据是电力半导体器件的内热阻Rjc与Rcs之和和耗热功率，其次是器件的最高任务结温暖冷却介质温

8、度。还要根据环境要求、安装位置、尺寸、流阻、性价比等条件进展综合思索。目前常用的散热器方式有：平板形、平行筋片形、叉指形、星形等。其材质有紫铜和工业铝材两种。铜散热器外表需进展电镀、涂漆或钝化，铝散热器外表可涂漆或进展阳极氧化。自冷散热器外表最好是黑色，借以提高辐射系数，黑色散热器比光亮散热器可减少10%15%的热阻。目前平行筋片散热器和叉指形散热器曾经规范化，并广泛运用。.1.2.2.3散热器的安装1散热器与元器件接触的外表应平整、光洁、无损伤，安装时在其间涂敷导热资料如硅脂、铝、铜等并合理施压使其严密接触以有效传热；2自冷散热器叶片要垂直印制板安装，以利于热气流向上流动，强迫风冷散热器叶片

9、应沿冷却气流方向；3对密封机箱内某些发热量大的元件，散热安装可直接连在箱体上。4安装后不论螺栓型散热器还是平板型散热器都必需对热源器件坚持一定的压紧力。力太小接触不良，接触热阻过大；力太大二者产生塑性变形，接触面反而减小，甚至破坏构造。.1.2.3冷却处置冷却处置的方法有：自然风冷、强迫风冷、强迫液冷、蒸发冷却、热管传热、热电制冷、涡流制冷、电磁制冷等。1.2.3.1直接冷却方式；1.2.3.2间接冷却方式；1.2.3.3其它冷却方式。. 冷却方式单位传热面积最大功耗/ (wcm)自然风冷 0.08强迫风冷 0.3气冷板冷却 1.6液冷板冷却 16沸腾冷却 5000表1几种冷却方式的最大功耗.

10、1.2.3.1直接冷却直接冷却是元器件与冷媒直接接触，主要经过传导及对流作用进展散热的方法。1自然风冷2强迫风冷.1自然风冷热源周围空气受热后温度升高，密度变小而产生浮力向上流动散热。自然风冷优点是不需公用风道、无噪声；缺陷是散热效率低，故仅适用于额定电流较小的器件或简单安装中的较大电流器件。值得提出的是当元器件间的间隙小于3mm时，自然对流几乎停顿，传导和辐射将成为主要的散热方式。.2强迫风冷强迫风冷可分为抽风冷却和吹风冷却，当设备热源均匀分布时采用抽风冷却；非均匀分布时采用吹风冷却。或者按照空气流经发热元件的方向又可分为横向通风冷却和纵向通风冷却。强迫风冷是常见的直接冷却方法，与间接冷却方

11、法相比，有构造简单、设备量少、本钱低等优点，多用于热流密度较高的场所，如运用于额定电流值在50500A的设备中。强迫风冷采用风机强迫空气流过散热器，普通流速小于6m/s，是自冷散热效率的24倍。.图.2相对热阻风速与热阻的关系曲线风速图.2风冷式风速与热阻之间的关系曲线.1.2.3.2间接冷却间接冷却是元器件与冷媒不直接接触，经过冷板、换热器或热管进展传热的方法。1冷板冷却；2换热器冷却；3热管传热。.1冷板冷却A气冷式气冷式冷板的冷媒为空气，构造方式普通由底板、肋片、盖板和封端组成。其优点是构造简单，易于实现。缺陷是散热才干有限，构造尺寸较大，散热效率较液冷式冷板低得多，常用在小型电子设备中

12、，必要时可作为机箱的侧板运用。B液冷式液冷式冷板的冷媒为液体如水、乙醇等，冷板资料常为铝材或铜材，冷板的大小，流道的外形，可根据空间大小、散热量及冷媒压力来确定。常用于大功率器件的散热。液冷式冷板散热效率高、热流密度大、热负载均匀、温度梯度小、构造紧凑、分量轻。.2换热器冷却A水冷式水冷换热器优点是散热效率高、噪音低；缺陷是需求水处置和冷却循环设备，且易产生结露、漏水、电腐蚀等。水冷换热器的换热效率极高，其对流换热系数约为空气自然换热系数的150倍以上。普通适用于电流容量在500A以上的设备。B油冷式油冷换热器优点是不易结冻、不需水处置设备，缺陷是冷却效率较低，构造复杂，维护不便。油冷散热器的

13、散热效率在水冷散热器与风冷散热器之间，冷却介质多用变压器油。.C沸腾冷却式沸腾冷却是将冷媒如氟里昂放在密闭容器中，经过媒质的相变来进展冷却的技术。它具有很高的散热才干，比油冷或水冷的冷却效率高假设干倍，比风冷高十多倍，故沸腾冷却安装的体积比同容量油冷安装小得多，但系统复杂，价钱昂贵。常用于环境恶劣的户外机柜冷却系统中。.3热管传热热管是一种真空密封构造的空心圆管，管内填充有烧结金属、金属毡和蒸发时传送大量热量的低沸点液体如甲醇以及冷凝时将液体带回起点的吸液芯等。当蒸发部受热后使任务液蒸发，在微小的压力差下蒸汽快速地向冷凝部转移，并迅速带走热量，在冷凝部冷却而使蒸汽凝聚成液体并积累，在毛吸力的作

14、用下使任务液回流到蒸发部，如此循环不止，就自动完成了热管的导热过程。.热管传送的热量比同体积的固态金属大几百倍，热呼应快、传输间隔长、受热部分和散热部分可以隔离、构造简单、寿命长、缺点率低。任务时，一端可以衔接多个发热部件，另一端可衔接散热器、机壳或其它冷却器件。其热阻可达0.001/W，传热量超越50kw。主要运用于高能量密度的部件或者处于常温蒸浴形状的电子器件。值得提出的是，热管本身并不能散热，还必需在冷凝端配合散热安装才干把热量最终分发出去。.图.3热管技术运用实例.1.2.3.3其它冷却方式1热电制致冷；2涡流制冷。.1热电制致冷热电制冷又称温差电制冷。是利用热电效应即帕尔贴效应的一种

15、制冷方法。其制冷效果主要取决于两种资料的热电势。半导体资料具有较高的热电势，可以胜利地用来做成小型热电制冷器。用铜板和铜导线将N型半导体和P型半导体衔接成一个回路，铜板和铜导线只起导电的作用。此时，一个接点变热，另个接点变冷。假设电流方向反转，那么结点处的冷热作用互易。.图.4根本热电偶制冷元件_电臂+电臂金属电桥.热电制冷技术的制冷温度范围为-20到常温。由于单级热电制冷器的制冷量较小，气温差值为5060。为了获得更大的制冷量和更低的制冷温度，常将多级温差电器件串联、并联或者串并联运用。热电制冷器的产冷量小而电耗高，所以不宜大规模和大制冷量运用。但由于它的灵敏性强，简一方便冷热切换容易，非常

16、适宜于微型制冷领域。.2涡流制冷紧缩空气经过制冷器进气口射入涡旋管产生涡流，气流以1000000rpm的旋转速度沿管壁旋入管腔，至终端后小部分空气经过针型阀以热空气方式泻出，剩余的空气掉转方向继续在外部旋涡的中心作旋风运动。同时，内部旋涡的气流交换能量给外部旋涡的气流后变成冷气流并经过发生器中心冷气出口泻放。据悉在运用压力为0.69MPa、入口温度为21的紧缩空气时，单只涡流管的制冷量可达1512kcal/h，泻放温度降低45度。涡流制冷器没有运动部件的损耗,涡流管将过滤后的普通紧缩空气转换成均匀分布在机柜中的冷气。冷气流在机柜内部构成细微的正压，防尘防污。.机柜(机箱)内的热空气针型阀泻放的

17、热空气图.5制冷器排放的冷空气压缩空气机柜(机箱)壳体涡流制冷器涡流制冷器的典型应用机柜(机箱)排气孔图.5涡流制冷器的典型运用.图.6涡流制冷器商品实例.2 计算机辅助热设计计算机辅助热设计目前电子设备计算机辅助热设计CATD商业软件如Flotherm、Icepak、Nata、Ansys等在工业实际中运用广泛；国内更多的是利用计算流体动力学CFD的方法来进展。进展热分析的数学根底是有限元法、有限容积法、有限差分法以及边境元法。工程实际中可根据设备的几何外形，设备进出口空气速度以及内外温差确定数值计算所需求的边境条件和初始条件；根据知参数来建立空气流动的数学模型；再根据该数学模型以及设备的内部构造等建立相关的非线性方程，编制程序并调试。.也可利用上述商业软件来进展分析计算及后处置，将计算结果的文本文件转化为图形文件，生成可视化的速度温度图形。.3 热测试维护设计热测试维护设计继保设备的热测试维护主要针对冷却系统，普通是对风压、风速、风向和水压、流量、水温进展监控。另外，大功率安装还要对母线温度进展监控。通常在