大功率高壓變頻器的散熱分析

變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，高壓大功率變頻調(diào)速裝置不斷地成熟起來(lái)，原來(lái)一直難于解決的高壓?jiǎn)栴}，近年來(lái)通過(guò)器件串聯(lián)或單元串聯(lián)得到了很好的解決。

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在大型電力電子設(shè)備中，隨著溫度的增加，失效率也增加，因此大功率高壓變頻器功率器件的熱設(shè)計(jì)直接關(guān)系到設(shè)備的可靠性與穩(wěn)定性。

大功率高壓變頻器往往要求有極高的可靠性，影響電力電子設(shè)備失效的主要形式是熱失效，據(jù)統(tǒng)計(jì)，50%以上的電子熱失效主要是由于溫度超過(guò)額定值引起的。

從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上來(lái)說(shuō)散熱技術(shù)是保證設(shè)備正常運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

高壓變頻器設(shè)備功率大，一般為MW級(jí)，在正常工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。

為保證設(shè)備的正常工作，把大量的熱量散發(fā)出去，優(yōu)化散熱與通風(fēng)方案，進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)與計(jì)算，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的高效散熱，對(duì)于提高設(shè)備的可靠性是十分必要的。

散熱計(jì)算：

高壓變頻器在正常工作時(shí)，熱量來(lái)源主要是隔離變壓器、電抗器、功率單元、控制系統(tǒng)等，其中作為主電路電子開(kāi)關(guān)的功率器件的散熱、功率單元的散熱設(shè)計(jì)及功率柜的散熱與通風(fēng)設(shè)計(jì)最為重要。

對(duì)IGBT或IGCT功率器件來(lái)說(shuō)，其pn結(jié)不得超過(guò)125℃，封裝外殼為85℃。有研究表明，元器件溫度波動(dòng)超過(guò)±20℃，其失效率會(huì)增大8倍。

散熱設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：

(1)選用耐熱性和熱穩(wěn)定性好的元器件和材料，以提高其允許的工作溫度；

(2)減小設(shè)備(器件)內(nèi)部的發(fā)熱量。為此，應(yīng)多選用微功耗器件，如低耗損型IGBT,并在電路設(shè)計(jì)中盡量減少發(fā)熱元器件的數(shù)量，同時(shí)要優(yōu)化器件的開(kāi)關(guān)頻率以減少發(fā)熱量；

(3)采用適當(dāng)?shù)纳岱绞胶陀眠m當(dāng)?shù)睦鋮s方法，降低環(huán)境溫度，加快散熱速度。

排風(fēng)量計(jì)算：

在最?lèi)毫迎h(huán)境溫度情況下，計(jì)算散熱器最高溫度達(dá)到需求時(shí)候的最小風(fēng)速。根據(jù)風(fēng)速按照冗余放大率來(lái)確定排風(fēng)量。排風(fēng)量的計(jì)算公式為：Qf=Q/(Cpρ△T)

式中：

Qf：強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)所須提供的風(fēng)量。

Q：被冷卻設(shè)備的總熱功耗。

Cp=1005J/(kg℃)：空氣比熱，J/(kg℃)。

ρ=1.11(m3/kg)：空氣密度。

△T=10℃：進(jìn)、出口處空氣的溫差。

根據(jù)風(fēng)量和風(fēng)壓確定風(fēng)機(jī)型號(hào)，使得風(fēng)機(jī)工作在效率最高點(diǎn)處，即增加了風(fēng)機(jī)壽命又提高了設(shè)備的通風(fēng)效率。

風(fēng)道設(shè)計(jì)：

串聯(lián)風(fēng)道是由每個(gè)功率模塊的散熱器上下相對(duì)，形成上下對(duì)應(yīng)的風(fēng)道，其特點(diǎn)由上下多個(gè)功率單元形成串聯(lián)的通路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，風(fēng)道垂直使得風(fēng)阻??；但由于空氣從下到上存在依次加熱的問(wèn)題，造成上面的功率單元環(huán)境溫差小，散熱效果差。

并聯(lián)風(fēng)道中從每個(gè)功率單元的前面進(jìn)風(fēng)，對(duì)應(yīng)的進(jìn)風(fēng)口并聯(lián)排列，在后面的風(fēng)倉(cāng)中匯總后由風(fēng)機(jī)抽出，同時(shí)整個(gè)功率柜一般采用冗余的方法，有多個(gè)風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，整體散熱效果好，并提高了設(shè)備的可靠性。但柜體后面要形成風(fēng)倉(cāng)，增大了設(shè)備的體積，同時(shí)由于各個(gè)功率單元后端到風(fēng)機(jī)的距離不同，使得每個(gè)功率單元的風(fēng)流量不一致，是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

根據(jù)串聯(lián)風(fēng)道和并聯(lián)風(fēng)道的特點(diǎn)，高壓變頻器選擇并聯(lián)風(fēng)道設(shè)計(jì)，并形成了獨(dú)有的結(jié)構(gòu)專(zhuān)利技術(shù)。

仿真分析：

利用仿真軟件可以在以上各種不同結(jié)構(gòu)及層次上對(duì)系統(tǒng)散熱、溫度場(chǎng)及內(nèi)部流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行高效、準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便的定量分析。根據(jù)仿真結(jié)果，對(duì)散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估、修改，然后再次仿真，直到得到滿(mǎn)足要求的結(jié)果。通過(guò)這種方式，我們對(duì)熱失效進(jìn)行了很好控制，從而大大提高了設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。

變頻器是一種使電動(dòng)機(jī)變速運(yùn)行進(jìn)而達(dá)到節(jié)能效果的設(shè)備，習(xí)慣上把額定電壓在3kV到10kV之間的電動(dòng)機(jī)稱(chēng)為高壓電機(jī)，因此一般把針對(duì)3kV至10kV高電壓環(huán)境下運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)而開(kāi)發(fā)的變頻器稱(chēng)為高壓變頻器。與低壓變頻器相比，高壓變頻器適用于大功率風(fēng)電、水泵的變頻調(diào)速，可以收到顯著的節(jié)能效果。

變頻器的通用散熱方法

從目前變頻器的構(gòu)造分析，散熱一般可分為以下三種：自然散熱、對(duì)流散熱、液冷散熱和外部環(huán)境散熱。

（一）自然散熱

對(duì)于小容量的變頻器一般選用自然散熱方式，其使用環(huán)境應(yīng)通風(fēng)良好，無(wú)易附著粉塵及飄浮物。此類(lèi)變頻器的拖動(dòng)對(duì)象多為家用空調(diào)、數(shù)控機(jī)床之類(lèi)，功率很小，使用環(huán)境比較優(yōu)良。

另外一種使用自然散熱方式的變頻器容量并不一定小，那就是防爆變頻器。對(duì)于此類(lèi)變頻器小容量可以選用一般類(lèi)型的散熱器即可，要求散熱面積在允許的范圍內(nèi)盡可能的大一些，散熱肋片間距小一些，盡可能的增加熱輻射面積。對(duì)于大容量的防爆變頻器，如使用自然散熱方式建議使用熱管散熱器。熱管散熱器是近年來(lái)新興的一種散熱器，它是熱管技術(shù)與散熱器技術(shù)結(jié)合的一種產(chǎn)品，它的散熱效率極高，可以將防爆變頻器的容量做的比較大，可達(dá)幾百kVA。這種散熱器相對(duì)普通散熱器，所不同之處就是體積相對(duì)大，成本高。這種散熱方式與水冷散熱相比較還是有優(yōu)勢(shì)的：水冷要用水冷器件，水冷散熱器以及必不可少的水循環(huán)系統(tǒng)等等，其成本比使用熱管散熱器散熱高。業(yè)界反映熱管散熱器性能好，值得推廣。

自然散熱的另外一種方式就是“穿墻式”自然散熱，這種散熱方式最多減少80％的熱量，其特點(diǎn)是變頻器的主體與散熱片通過(guò)電控箱完全隔離，大大提高了變頻器元器件的散熱效果。這種散熱方式最大的好處就是可以做到定時(shí)清理散熱器，且能保證電控箱的防護(hù)等級(jí)做得更高。象常見(jiàn)的棉紡企業(yè)由于棉絮過(guò)多，經(jīng)常容易堵塞變頻器的通風(fēng)道，導(dǎo)致變頻器的過(guò)熱故障，用穿墻式自然散熱就能很好得解決這一問(wèn)題。

（二）對(duì)流散熱

對(duì)流散熱是普遍采用的一種散熱方式。隨著半導(dǎo)體器件的發(fā)展，半導(dǎo)體器件散熱器也得到了飛速的發(fā)展，趨向標(biāo)準(zhǔn)化，系列化，通用化；而新產(chǎn)品則向低熱阻，多功能，體積小，重量輕，適用于自動(dòng)化生產(chǎn)與安裝等方向發(fā)展。世界幾大散熱器生產(chǎn)商，產(chǎn)品多達(dá)上千個(gè)系列，并全部經(jīng)過(guò)測(cè)試，提供了使用功率與散熱器熱阻曲線(xiàn)，為用戶(hù)準(zhǔn)確選用提供了方便。同時(shí)散熱風(fēng)機(jī)的發(fā)展也相當(dāng)快，呈現(xiàn)出體積小，長(zhǎng)受命，低噪聲，低功耗，大風(fēng)量，高防護(hù)的特點(diǎn)。如常用的小功率變頻器散熱風(fēng)機(jī)只有25mm×25mm×10mm；日本SANYO長(zhǎng)壽命風(fēng)機(jī)可達(dá)200000h，防護(hù)等級(jí)可達(dá)IPX5；更有德國(guó)ebm大風(fēng)量軸流風(fēng)機(jī)，排風(fēng)量高達(dá)5700m3/h。這些因素為設(shè)計(jì)者提供了非常廣闊的選擇空間。

對(duì)流散熱正是由于使用的器件(風(fēng)機(jī)、散熱器)選擇比較容易，成本不是太高,變頻器的容量可以做到從幾十到幾百kVA，甚至更高(采取單元并聯(lián)方式)才被廣為采用。

（1）變頻器內(nèi)裝風(fēng)扇散熱

內(nèi)裝風(fēng)扇散熱一般對(duì)于小容量的通用變頻器使用。通過(guò)正確的安裝變頻器，可以使變頻器的內(nèi)裝風(fēng)扇的散熱能力達(dá)到最大化。該內(nèi)裝風(fēng)扇可以將變頻器內(nèi)部的熱量帶走。通過(guò)變頻器所在的箱體的鐵板，進(jìn)行最終散熱。只通過(guò)變頻器內(nèi)裝風(fēng)扇的散熱辦法適用與裝有單獨(dú)的變頻器的控制箱，以及控制元件比較少的控制箱。如果變頻器控制箱中，有若干臺(tái)變頻器，或者其他散熱量比較大的電氣元件，則散熱的效果不十分明顯。

（2）變頻器外裝風(fēng)機(jī)散熱

通過(guò)在安裝變頻器的控制箱內(nèi)，增設(shè)若干臺(tái)具有換氣對(duì)流功能的風(fēng)機(jī)，則可以大大提高變頻器的散熱效果，降低變頻器工作環(huán)境的溫度。使用風(fēng)機(jī)的能力，可以通過(guò)變頻器的散熱量進(jìn)行計(jì)算。下面說(shuō)一說(shuō)一般的選擇方法：

我們根據(jù)經(jīng)驗(yàn)算出每排出1kW功耗產(chǎn)生的熱量,需要風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量為360m/h，而變頻器的功耗為其容量的4～5%，這里我們按5%計(jì)算，可以得到變頻器適配風(fēng)機(jī)與其容量的關(guān)系：

例如：變頻器功率為90千瓦，則：

風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量(m3/h)=變頻器容量×5%×360m/h/kW=1620m/h

然后再通過(guò)風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量選擇不同廠(chǎng)家風(fēng)機(jī)的型號(hào)獲得滿(mǎn)足我們條件的風(fēng)機(jī)。一般說(shuō)來(lái)，風(fēng)機(jī)散熱是現(xiàn)階段變頻器散熱的主要手段，尤其適用在比較大的控制柜中，以及控制柜中擁有的電氣部件同時(shí)工作、同時(shí)發(fā)熱的情況下。適用于高度集成的集中控制柜、控制箱。而且近幾年由于科技的不斷進(jìn)步，散熱風(fēng)機(jī)已經(jīng)不像前幾年那樣的龐然大物，小巧而又強(qiáng)勁的風(fēng)機(jī)比比皆是。性?xún)r(jià)比上也比其他散熱方式好的多。

（三）液冷散熱

水冷是工業(yè)液冷方式中較常用的一種方式。針對(duì)變頻器這種設(shè)備選用該方式散熱的很少，因?yàn)樗某杀靖?，用在小容量變頻器時(shí)體積大，再由于通用變頻器的容量在幾kVA到近百kVA，容量不是很大，很難將性?xún)r(jià)比做到讓用戶(hù)接受的程度，只有在特殊場(chǎng)合（如需要防爆）以及容量特別大的變頻器才采用這種方式。

水冷變頻器在歐洲已有近十年的歷史，廣泛應(yīng)用于輪船、機(jī)車(chē)等高功率且空間有限的場(chǎng)合。相對(duì)于傳統(tǒng)的風(fēng)冷變頻器，水冷變頻器更有效地解決了散熱問(wèn)題，從而使高功率變頻器的體積大大縮小，性能更加穩(wěn)定。體積的減小意味著節(jié)省了設(shè)備安裝空間，從而有效地解決了很多特殊場(chǎng)合對(duì)變頻器體積的要求。如芬蘭VACON公司的400kW水冷變頻器，其體積僅為同等級(jí)的風(fēng)冷變頻器的五分之一。

資料表明，散熱器表面經(jīng)電泳涂漆發(fā)黑或陽(yáng)極氧化發(fā)黑后，其散熱量在自然冷卻情況下可提高10~15%，在強(qiáng)迫風(fēng)冷情況下可提高20~30%，電泳涂漆后表面耐壓可達(dá)500~800V。所以在選擇散熱器及制定加工工藝時(shí)，對(duì)散熱器進(jìn)行上述工藝處理會(huì)大大提高本身的散熱能力，還可以增強(qiáng)絕緣性，降低了因安裝不當(dāng)造成的爬電距離過(guò)小，電氣間隙不夠等帶來(lái)的不利影響。

散熱效果優(yōu)劣與安裝工藝有密切關(guān)系，安裝時(shí)應(yīng)盡量增大功率模塊與散熱器的接觸面積降低熱阻，提高傳熱效果。在功率器件與散熱器之間涂一層薄薄的導(dǎo)熱硅脂可以降低熱阻25~30%。如需要在功率器件與散熱器之間加絕緣或加墊塊來(lái)方便安裝，建議使用低熱阻材料：薄云母，聚酯薄膜或紫銅塊，鋁塊。合理安排器件在散熱器上的位置，單件安裝時(shí)應(yīng)使器件位于散熱器基面中心位置，多件安裝時(shí)應(yīng)均勻分布。緊固器件時(shí)需保證扭力一致。安裝完畢后不宜對(duì)器件及散熱器再進(jìn)行機(jī)械加工，否則會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，增加熱阻。單面肋片式散熱器，適于在設(shè)備外部作自然風(fēng)冷，即利于功率器件的通風(fēng)又可降低機(jī)內(nèi)溫度。自然風(fēng)冷時(shí)，應(yīng)使散熱器的斷面平行于水平面的方向；強(qiáng)迫風(fēng)冷時(shí)，應(yīng)使氣流的流向平行于散熱器的肋片方向

（四）外部環(huán)境散熱

隨著科技的進(jìn)步，空水冷系統(tǒng)逐漸應(yīng)用于鋼鐵、水泥、石油化工等領(lǐng)域，空水冷系統(tǒng)是專(zhuān)門(mén)用于大功率變頻器散熱的設(shè)備。空水冷將變頻器的熱風(fēng)通過(guò)風(fēng)道直接通過(guò)空-水冷裝置進(jìn)行熱交換，由冷卻水直接將變頻器散失的熱量帶走；經(jīng)過(guò)降溫的冷風(fēng)排回至室內(nèi)。空-水冷裝置內(nèi)通過(guò)冷水溫度低于33 ℃，即可以保證熱風(fēng)經(jīng)過(guò)散熱片后將變頻器室內(nèi)的環(huán)境溫度控制在40℃以下，滿(mǎn)足變頻器對(duì)環(huán)境運(yùn)行的要求，從而保證了變頻器室內(nèi)良好的運(yùn)行環(huán)境?？账湎到y(tǒng)具有低能耗，高冷量，大風(fēng)量的特點(diǎn)。

無(wú)論采用哪種散熱方式，都應(yīng)根據(jù)變頻器的容量，確定它的功耗，選擇適當(dāng)?shù)娘L(fēng)機(jī)，以及適當(dāng)?shù)纳崞?，達(dá)到優(yōu)良的性?xún)r(jià)比，同時(shí)也應(yīng)將變頻器所使用的環(huán)境因素充分考慮到。針對(duì)環(huán)境比較惡劣(高溫，高濕，煤礦，油田，海上平臺(tái))的情況，必須采取相應(yīng)的措施，確保變頻器正?？煽康倪\(yùn)行。從變頻器本身，應(yīng)盡可能的避免不利因素的影響，例如針對(duì)灰塵、風(fēng)沙的影響可以進(jìn)行密封處理，只有散熱器風(fēng)道與外界空氣接觸，避免了對(duì)變頻器內(nèi)部的影響；針對(duì)鹽霧，潮濕等可以對(duì)變頻器各部件進(jìn)行絕緣噴涂處理；野外作業(yè)用變頻器要加防護(hù)，做到防雨、防曬、防霧、防塵；對(duì)于高溫高濕環(huán)境可以增加空調(diào)等設(shè)備進(jìn)行降溫除濕，給變頻器一個(gè)良好的環(huán)境，確保變頻器可靠運(yùn)行，事實(shí)表明處理好變頻器的散熱不僅要求設(shè)計(jì)者從變頻器本身做到，還要求使用者正確使用嚴(yán)格按照使用說(shuō)明進(jìn)行安裝,有足夠的通風(fēng)空間，適合的使用環(huán)境，并且盡可能做到定期維護(hù),尤其是煤炭等多粉塵行業(yè)，定期給使用環(huán)境除塵,對(duì)變頻器風(fēng)道除塵，這樣才能使變頻器的散熱系統(tǒng)發(fā)揮正常功能，使變頻器的溫升在允許值之內(nèi)，變頻器才能可靠運(yùn)行,而為企業(yè)帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。

審核編輯：劉清