CN110567739B

CN110567739B - 一种散热器散热状态快速检测方法及装置

Info

Publication number: CN110567739B
Application number: CN201910641600.9A
Authority: CN
Inventors: 陈杰; 刘志刚; 付和平; 张钢; 邱瑞昌; 李庭; 王运达; 沈来来; 牟富强; 漆良波; 吕海臣
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2019-07-16
Filing date: 2019-07-16
Publication date: 2020-10-20
Anticipated expiration: 2039-07-16
Also published as: CN110567739A

Abstract

本发明公开了一种散热器散热状态快速检测方法及装置，该方法包括：首先建立散热器散热状态快速检测装置，通过软件方法，实现功率器件功率损耗的实时计算；其次通过变流装置散热器温升、散热器热阻与变流装置功率器件功率损耗三者的关系，利用实时计算所得的功率器件功率损耗，计算得到散热器的第一热阻；根据散热器第一热阻变化斜率快速判断热阻稳态值，然后根据热阻稳态值与散热器散热状态之间的对应关系，得到此时的变流装置散热器散热状态。本发明通过监测变流装置散热器的热阻变化斜率，来快速判断散热器的堵塞程度，是一种在线的智能快速检测方法，仅利用变流装置现有传感器，通过软件编程实现散热器堵塞程度的快速检测。

Description

一种散热器散热状态快速检测方法及装置

技术领域

本发明涉及轨道交通领域，尤其涉及一种变流装置的散热器散热状态快速检测方法及装置。

背景技术

变流装置是轨道交通车辆的核心装置，是轨道交通车辆牵引供电系统的重要组成部分，散热器作为变流装置散热的重要部件，对其散热状态进行评估是保证变流装置安全可靠运行的重要工作。

长期以来，对于散热器散热状态始终没有一种智能的快速检测方法，目前为了确保变流装置正常可靠工作，一般采用定期清理维护的方式，但定期监测具有盲目性，使得散热器清理维护存在欠维护、过维护的问题。为了解决这一问题，本发明提出了一种智能的散热器散热状态快速检测方法，仅利用变流装置现有的传感器，在不添加传感器、不改变变流装置结构的前提下，通过本发明提供的方法，可以实现散热器散热状态的快速检测。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种散热器散热状态快速检测方法及装置，实现了散热器散热状态的快速检测与评估。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种散热器散热状态快速检测方法，包括以下步骤：

步骤1、获取所述散热器的温度、散热器入风口的温度；散热器的温度为第一温度，散热器入风口的温度为第二温度；

根据功率器件功率损耗相对于变流装置输入有功功率的占比计算功率器件功率损耗；

步骤2、根据所述的第一温度、第二温度和所述功率器件功率损耗，确定第一热阻；

步骤3、根据第一热阻的暂态变化趋势得到热阻变化斜率，查找热阻变化斜率与热阻稳态值之间的对应关系，快速判断热阻稳态值；

步骤4、根据热阻稳态值，查找热阻稳态值与散热器散热状态之间的对应关系，快速判断散热器的散热状态，即散热器堵塞程度。

在上述方案的基础上，步骤1中，所述变流装置输入有功功率的计算公式如下式所示：

当变流装置为整流装置时，输入有功功率为：

P_o＝U_dc·I_dc (1)

当变流装置为逆变装置时，输入有功功率为：

其中，P₀为变流装置输入有功功率，U_dc为变流装置直流侧电压，I_dc为变流装置直流侧电流，U_a为变流装置交流侧A相相电压有效值，I_a为变流装置交流侧A相相电流有效值，

为功率因数角。

在上述方案的基础上，步骤1中，所述功率器件功率损耗计算公式：

P_loss＝P₀·K (3)

其中，P_loss为功率器件功率损耗，K为功率器件功率损耗相对于变流装置输入侧有功功率的占比，根据变流装置的能效曲线得到。

在上述方案的基础上，步骤2中，根据所述的第一温度、第二温度和所述功率器件功率损耗，确定第一热阻，具体为：

将所述第一温度与第二温度的差值作为散热器的温升，即第三差值；将第三差值与功率器件功率损耗的比值确定为第一热阻R，计算公式如下：

其中，T₁为第一温度，T₀为第二温度，△T为第三差值，P_loss为变流装置功率器件功率损耗。

在上述方案的基础上，步骤3中，根据第一热阻的暂态变化趋势得到热阻变化斜率，热阻变化斜率计算公式如下：

其中，t₁、t₂分别为第一热阻变化过程中的两个相邻时刻，R₁₁为t₁时刻对应的热阻值，R₂₁为t₂时刻对应的热阻值，k为热阻变化斜率。

在上述方案的基础上，所述热阻变化斜率与热阻稳态值之间的对应关系、热阻稳态值与散热器散热状态之间的对应关系，通过实验数据获得。

本发明提供一种散热器散热状态快速检测装置，包括：获取模块、第一确定模块、第二确定模块、第三确定模块和第四确定模块；

所述获取模块包括温度传感器和电流传感器、电压传感器，用于获取散热器的温度、散热器入风口的温度、变流装置直流侧电流I_dc、变流装置直流侧电压U_dc、变流装置交流侧A相相电流有效值I_a、变流装置交流侧A相相电压有效值U_a；所述散热器的温度为第一温度，散热器入风口的温度为第二温度；

所述第一确定模块与获取模块连接，用于通过获取模块获取的变流装置直流侧电流I_dc、变流装置直流侧电压U_dc、变流装置交流侧A相相电流有效值I_a、变流装置交流侧A相相电压有效值U_a，计算变流装置的输入有功功率；然后根据功率器件功率损耗相对于变流装置输入有功功率的占比计算功率器件功率损耗；

所述第二确定模块与获取模块、第一确定模块连接，用于根据所述第一温度、第二温度和所述的变流装置功率器件功率损耗，确定第一热阻；

所述第三确定模块与第二确定模块连接，用于根据第一热阻的暂态变化趋势得到热阻变化斜率，根据第一样本数据快速确定散热器热阻稳态值；所述第一样本数据是特定时间段内热阻变化斜率与热阻稳态值之间的对应关系样本数据；

所述第四确定模块与第三确定模块连接，用于根据第三确定模块得到的热阻稳态值，结合第二样本数据快速确定散热器的散热状态；所述第二样本数据是热阻稳态值与散热器散热状态之间的对应关系样本数据。

在上述方案的基础上，所述第一确定模块具有相应的存储功能与计算功能，用于存储功率器件功率损耗计算程序。

在上述方案的基础上，所述第三确定模块还用于，存储热阻变化斜率与热阻稳态值之间的对应关系。

在上述方案的基础上，所述第四确定模块还用于，存储热阻稳态值与散热器散热状态之间的对应关系。

本发明所述的散热器散热状态快速检测方法，当需要确定散热器的堵塞程度时，根据散热器的第一温度、第二温度和变流装置功率器件功率损耗，确定第一热阻，在样本数据库根据热阻变化斜率与热阻稳态值之间的对应关系，确定散热器热阻稳态值，然后在样本数据库中根据热阻稳态值与散热状态之间的对应关系，确定散热器的散热状态，样本数据库中的样本数据可以真实的反映热阻稳态值与散热器散热状态之间的对应关系。因此，可以通过第一热阻的计算和实验数据库的支撑，得到散热器的散热状态。

附图说明

本发明有如下附图：

图1为本发明实施例提供的散热器的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的散热器散热状态快速检测方法示意图。

图3为本发明实施例提供的根据散热器热阻暂态过程中热阻变化斜率快速判断热阻稳态值示意图Ⅰ。

图4为本发明实施例提供的散热器工作过程中突然堵塞，根据散热器热阻暂态过程中热阻变化斜率快速判断热阻稳态值示意图Ⅱ。

图5为本发明实施例提供的变流装置的散热器散热状态快速检测装置示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图1～5，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明提供的散热器的结构示意图，如图1所示，所述散热器包括散热基板1、散热翅片2、风冷通道3和风机4。

变流装置产生的热量由散热基板1扩散到散热翅片2上，风机4产生强对流空气，使得散热翅片2上的热量通过风冷通道3扩散到空气中。

在实际中，变流装置中散热器的散热翅片2上容易黏附大量灰尘，导致散热器散热状态下降，影响变流装置进行热量扩散的效果，散热器散热状态下降的两种影响方式：一是大量灰尘粘附在散热器散热翅片2上，灰尘的导热系数比散热翅片2的导热系数低3个数量级，因此增加散热器的热阻，降低散热性能；二是入风口的局部堵塞会使得通风口有效通风面积变小，使得通过散热器风道的冷却剂的流量减小,使得散热状态变差。为了准确地确定散热器的散热状态，本发明提供了一种散热器散热状态快速检测方法，具体见图2所示。

图2为本发明实施例提供的散热器散热状态快速检测方法示意图，如图2所示，包括：

本发明实施例的执行可通过软件实现，也可以通过软件和硬件的结合实现，将散热器堵塞程度确定方法通过软件编程，通过软硬件结合的方法，实现散热器堵塞程度的智能监测。

当需要确定散热器堵塞程度时，可以执行图2所示的技术方案，或者，按照某预设的执行周期，周期性的执行图2所示的技术方案。

通过散热器本身的温度传感器，可以获取散热器的第一温度、第二温度。

当变流装置为整流装置时，根据变流装置直流侧电压U_dc，变流装置直流侧电流I_dc，通过相应的功率损耗计算算法，计算功率器件功率损耗。

当变流装置为逆变装置时，根据变流装置交流侧A相相电压有效值U_a，变流装置交流侧A相相电流有效值I_a，通过相应的功率损耗计算算法，计算功率器件功率损耗。

根据第一温度、第二温度和变流装置功率器件功率损耗，确定散热器第一热阻。

根据散热器第一热阻的暂态变化趋势得到第一热阻的斜率变化曲线，根据数据库中第一热阻的斜率与热阻稳态值之间的对应关系，快速判断散热器的热阻稳态值。

根据判断得到的散热器热阻稳态值，根据数据库中热阻稳态值与散热器散热状态之间的对应关系，快速判断散热器的散热状态。

例如：假设第一温度为T₁，第二温度为T₀，第三差值为△T，变流装置功率器件功率损耗为P_loss，第一热阻为R。则T₁、T₀、△T、P_loss与R之间存在如下对应关系：

计算第一热阻变化过程中一段时间内的热阻变化斜率，快速判断热阻稳态值。

例如：t1、t2分别为第一热阻变化过程中的两个时刻，R11为t1时刻对应的热阻值，R21为t2时刻对应的热阻值，热阻斜率用k表示，其中k1,k2,…,kn对应不同的热阻变化斜率，对应关系如下：

然后根据热阻变化斜率快速判断热阻稳态值和散热器散热状态。

图3为本发明实施例提供的根据散热器热阻暂态过程中热阻变化斜率快速判断热阻稳态值示意图Ⅰ，如图3所示，热阻变化斜率、热阻稳态值与散热器散热状态之间的对应关系，通过实验获得。

例如：在100％散热状态下热阻稳态值为R2、热阻暂态变化斜率为k1；80％散热状态下，热阻稳态值为R3、热阻暂态变化斜率为k2；40％散热状态下热阻稳态值为R4、热阻暂态变化斜率为k3；10％散热状态下热阻稳态值为R5、热阻暂态变化斜率为k4。假如此时计算所得的热阻变化斜率为k2，则能快速预测热阻稳态值为R3，从而判断散热器此时的散热状态为80％。如果检测到的热阻变化斜率在k1和k2之间，则判断散热器此时的散热状态为80％-100％之间。

图4为本发明实施例提供的散热器工作过程中突然堵塞，根据散热器热阻暂态过程中热阻变化斜率快速判断热阻稳态值示意图Ⅱ，如图4所示，散热器达到热阻稳态值后散热器堵塞，热阻变化斜率、热阻稳态值与散热器散热状态之间的对应关系，通过实验获得。

例如：在100％散热状态下热阻稳态值为R2、热阻暂态变化斜率为k1；突然堵塞导致散热器在80％散热状态下，热阻稳态值为R3、热阻暂态变化斜率为k5；突然堵塞导致散热器在40％散热状态下热阻稳态值为R4、热阻暂态变化斜率为k6；突然堵塞导致散热器在10％散热状态下热阻稳态值为R5、热阻暂态变化斜率为k7。假如热阻达到稳态值一段时间突然堵塞，此时计算所得的热阻变化斜率为k5，则能快速预测热阻稳态值为R3，从而判断散热器此时的散热状态为80％。如果检测到的热阻斜率在相邻两个斜率之间，则判断散热器此时在散热状态在两种相邻散热状态之间。散热状态的划分，根据工程实际需求，可按10％或20％间隔进行划分。

本发明提供的散热器散热状态快速检测方法，当需要快速确定散热器散热状态时，根据第一温度、第二温度和变流装置功率器件功率损耗，确定第一热阻，然后计算热阻变化斜率，在数据库查找热阻变化斜率与散热器热阻稳态值之间的对应关系，就可得到散热器的热阻稳态值，然后在数据库中查找热阻稳态之与散热器散热状态之间的对应关系，就可判断此时的散热器散热状态。

在确定散热器散热性能退化程度的过程中，无需依靠人工观察来确定散热器的散热状态，仅利用变流装置现有的传感器，通过软硬件结合，程序编写，就可实现智能快速检测，这不仅节省了人工检测的成本，更提高了检测的效率与准确度。由于本发明中所示的散热器的散热状态确定方法，不再依赖人工观察，因此，本发明所示的散热器的散热状态确定方法可以适用于任何结构的散热器，使得本发明所示的散热器的散热性能确定方法具有通用性。

图5为本发明实施例提供的变流装置的散热器散热状态快速检测装置示意图。如图5所示，该装置可以包括获取模块、第一确定模块、第二确定模块、第三确定模块和第四确定模块，其中，

所述第四确定模块与第三确定模块连接，用于根据第三确定模块得到的热阻稳态值，结合第二样本数据快速确定此时散热器的散热状态；所述第二样本数据是热阻稳态值与散热器散热状态之间的对应关系样本数据。

本发明提供的变流装置的散热器散热状态快速检测装置可以执行上述方法实施例所示的技术方案，其实现原理以及有益效果类似，此处不再进行赘述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例方案的范围。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims

1.一种散热器散热状态快速检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤4、根据热阻稳态值，查找热阻稳态值与散热器散热状态之间的对应关系，快速判断散热器的散热状态；

步骤3中，根据第一热阻的暂态变化趋势得到热阻变化斜率，热阻变化斜率计算公式如下：

其中，t₁、t₂分别为第一热阻变化过程中的两个相邻时刻，R₁₁为t₁时刻对应的热阻值，R₂₁为t₂时刻对应的热阻值，k为热阻变化斜率；

所述热阻变化斜率与热阻稳态值之间的对应关系、热阻稳态值与散热器散热状态之间的对应关系，通过实验数据获得。

2.一种散热器散热状态快速检测装置，其特征在于，包括：获取模块、第一确定模块、第二确定模块、第三确定模块和第四确定模块；

3.如权利要求2所述的散热器散热状态快速检测装置，其特征在于，所述第一确定模块具有相应的存储功能与计算功能，用于存储功率器件功率损耗计算程序。

4.如权利要求2所述的散热器散热状态快速检测装置，其特征在于，所述第三确定模块还用于，存储热阻变化斜率与热阻稳态值之间的对应关系。

5.如权利要求2所述的散热器散热状态快速检测装置，其特征在于，所述第四确定模块还用于，存储热阻稳态值与散热器散热状态之间的对应关系。