高壓變頻器散熱系統(tǒng)設計分析

韓飛+楊斌

摘 要：高壓變頻器現(xiàn)在基本上已經(jīng)采用驅(qū)動交流化，以及功率變頻器等高頻化技術(shù)，在持續(xù)運行過程中，單位體積所散熱量逐漸增加。基于高壓變頻器運行穩(wěn)定性和可靠性要求，必須要重點做好散熱系統(tǒng)的設計，選擇有效的冷卻技術(shù)，做好各個部分設計優(yōu)化。本文重點就高壓變頻器散熱系統(tǒng)設計要點進行了簡要分析。

關鍵詞：高壓變頻器；散熱系統(tǒng)；系統(tǒng)設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.219

0 引言

雖然高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)效率比較高，但是在實際運行中仍然會產(chǎn)生2%～4%的損耗，全部轉(zhuǎn)化成熱量散失在大氣中。要求散熱系統(tǒng)可以將此部分熱量全部排除，避免溫升過高對高壓變頻器運行產(chǎn)生影響。因此，需要基于變頻器熱量來源特點，根據(jù)實際情況進行計算設計，對散熱系統(tǒng)進行優(yōu)化。

1 高壓變頻器熱量特點

高壓變頻器熱量來源主要可以分為三個部分，第一即為變壓器和電抗器，主回路大電流運行時將會產(chǎn)生鐵耗與銅耗，并且其中80%～90%會以放熱形式釋放。此部分熱量，可以達到電動機功率的0.5%～1.5%，其中應用電抗器發(fā)熱量可以達到0.5%，應用變壓器發(fā)熱量基本上為1.5%[1]。第二，則為變頻器功率器件損耗，如SGCT、IGBT、IGCT等。在設備運行時因為高頻開關切換，以及導通壓降等，會產(chǎn)生低通損耗與開關損耗，可以達到電動機功率的2%左右。第三，為變頻器控制部分間損耗，主要為控制板件、控制電源等。同時，還包括驅(qū)動功率器件的驅(qū)動電源與其他冷卻風扇以及冷卻水泵等，均會產(chǎn)生一定熱量。因為此部分熱量與前兩項相比比較少，計算時可以忽略不計。

2 高壓變頻器散熱系統(tǒng)設計要點

2.1 功率單元散熱設計

（1）設計要點。對高壓變頻器功率單元進行散熱設計時，對象主要為整流二極管、逆變模塊等。將單元串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)高壓變頻器作為對象，其功率器件為IGBT，散熱系統(tǒng)設計需要合理選擇功率器件，保證元器件與原材料熱穩(wěn)定性與耐熱性良好。還要根據(jù)實際情況來確定散熱方法，提高散熱速度，并降低環(huán)境溫度。同時，還要降低器件與設備內(nèi)部發(fā)熱量，選擇應用功耗低的其間，嚴格控制發(fā)熱元器件數(shù)量，并對開關頻率進行優(yōu)化，將內(nèi)部發(fā)熱總量控制在一個較低的水平。

（2）散熱器設計。主要從三個方面著手：第一，插片設計。對插片長度、厚度、高度以及數(shù)量進行計算，根據(jù)實際情況選擇，避免出現(xiàn)過度設計情況，減少材料的浪費。第二，器件安裝。對于散熱器上的各類器件，要保證安裝方案的合理性，盡量將高發(fā)熱量器件設置在此，對于損耗較大的器件，需要預留出較大的面積[2]。并且，所有散熱器和功率器件的安裝面均需要均勻涂抹散熱硅脂，最大程度上降低接觸熱阻，并按照設計標準對力矩進行緊固處理。第三，表面處理。很對高壓變頻器表面會進行氧化處理，對其散熱效果和熱阻進行改善，提高器件散熱效果。（3）結(jié)溫計算。1）功率損耗。高壓變頻器處于穩(wěn)定運行狀態(tài)時，功率單元耗散功率為為續(xù)流二極管、整流二極管以及IGBT總功率耗散。因此，在對散熱系統(tǒng)進行設計時，需要對幾種器件總功率進行有效估算。續(xù)流二極管通態(tài)、關閉損耗分別為：

整流二極管處于低頻運行狀態(tài)時，以通態(tài)損耗為主，在進行計算分析時，可以根據(jù)通態(tài)損耗功率以及通態(tài)平均電流關系曲線查找確定。

IGBT耗損主要包括通態(tài)、斷態(tài)、關閉、開通以及驅(qū)動多種，功率耗散估算時，應重點分析通態(tài)、開通與關閉損耗。其中，通態(tài)損耗為：

IGBT開關損耗為：

綜上，功率單元總耗損功率為：

P=（PSS+PSW）×4+PD×6

（2）結(jié)溫計算。設IBGT熱阻等效電路，Ta表示環(huán)境溫度；Ts表示散熱器表面溫度；Tj-Tr表示IGBT結(jié)溫；Tc表示IGBT管殼溫度；Rθ（j-c）表示器件結(jié)到管殼基準點穩(wěn)態(tài)熱阻，且由廠家提供，一般情況下可以在數(shù)據(jù)表中給出相應瞬態(tài)熱阻曲線在t→∞穩(wěn)態(tài)值或上限值；Rθ（c-a）表示管殼不經(jīng)過散熱器散熱，直接進入空氣的熱阻，在計算分析時可以對稱部分熱量忽略不計；Rθ（c-s）表示管殼到散熱器觸熱阻，由廠家提供數(shù)據(jù)；Rθ（s-a）表示散熱器基準點到環(huán)境基準點的熱阻，此數(shù)值受散熱器尺寸、形式以及冷卻方式等因素影響[3]。

在熱平衡條件下，其間靜態(tài)熱阻為：

電力電子器件處于工作狀態(tài)時，采取周期性通斷方式，在設計時需要分析瞬態(tài)熱阻對結(jié)溫波動產(chǎn)生的影響，根據(jù)此來確定波動是否超過最大結(jié)溫。其中，瞬態(tài)熱阻為：

結(jié)合上述分析結(jié)果，可以確定電力電子其間結(jié)溫以及散熱器熱阻計算公式為：Tj=Ta+PAV×Rja=Ta+PAV×（Rθ（j-c）+Rθ（c-a）+Rθ（c-s））

對熱阻進行計算時，還要重視損耗功率波動、負載波動的分析，根據(jù)其波動幅度，來確定下一步設計方向和優(yōu)化方法。正常狀態(tài)下，應保證給定條件下最高溫度在125℃以內(nèi)，對于穩(wěn)態(tài)結(jié)溫計算裕量應保留5℃。

2.2 整機散熱設計

風道設計包括串聯(lián)風道和并聯(lián)風道兩種，其中串聯(lián)風道比較簡單，為垂直風道可以降低風阻，但是會對散熱效果產(chǎn)生一定影響，設計時要擴大通風面積，或者是高風速來增加通風量。并聯(lián)風道需要在柜體后面配置風倉，冷卻空氣可以通過風倉匯總后由風機抽出。另外，還要保證風機選型的合理性，保證充足冷空氣可以持續(xù)流經(jīng)散熱器表面，控制散熱系統(tǒng)達到目標溫度值熱平衡。

3 結(jié)束語

高壓變頻器在實際生產(chǎn)中應用越發(fā)廣泛，為提高其運行可靠性，必須要就其散熱問題進行研究，避免因散熱不及時而對設備運行效果產(chǎn)生影響。

參考文獻：

[1]董赫倫.高壓變頻器的散熱器選擇與性能研究[D].遼寧工程技術(shù)大學，2012.

[2]李猛.高壓變頻器散熱與冷卻系統(tǒng)的設計[J].自動化應用，2015（12）：171-173.

[3]王永鑫.中高壓變頻器冷卻方案比較和選型分析[J].電氣傳動自動化，2015（03）：47-51.