高壓變頻器散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)交流化，以及功率變頻器等高頻化技術(shù)，在持續(xù)運(yùn)行過程中，單位體積所散熱量逐漸增加。基于高壓變頻器運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性要求，必須要重點(diǎn)做好散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，選擇有效的冷卻技術(shù)，做好各個(gè)部分設(shè)計(jì)優(yōu)化。本文重點(diǎn)就高壓變頻器散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。

關(guān)鍵詞：高壓變頻器；散熱系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(shí)際運(yùn)行中仍然會(huì)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(duì)高壓變頻器運(yùn)行產(chǎn)生影響。因此，需要基于變頻器熱量來源特點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)，對(duì)散熱系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

1 高壓變頻器熱量特點(diǎn)

高壓變頻器熱量來源主要可以分為三個(gè)部分，第一即為變壓器和電抗器，主回路大電流運(yùn)行時(shí)將會(huì)產(chǎn)生鐵耗與銅耗，并且其中80%～90%會(huì)以放熱形式釋放。此部分熱量，可以達(dá)到電動(dòng)機(jī)功率的0.5%～1.5%，其中應(yīng)用電抗器發(fā)熱量可以達(dá)到0.5%，應(yīng)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(shè)備運(yùn)行時(shí)因?yàn)楦哳l開關(guān)切換，以及導(dǎo)通壓降等，會(huì)產(chǎn)生低通損耗與開關(guān)損耗，可以達(dá)到電動(dòng)機(jī)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(shí)，還包括驅(qū)動(dòng)功率器件的驅(qū)動(dòng)電源與其他冷卻風(fēng)扇以及冷卻水泵等，均會(huì)產(chǎn)生一定熱量。因?yàn)榇瞬糠譄崃颗c前兩項(xiàng)相比比較少，計(jì)算時(shí)可以忽略不計(jì)。

2 高壓變頻器散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 功率單元散熱設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)要點(diǎn)。對(duì)高壓變頻器功率單元進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)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(duì)象，其功率器件為IGBT，散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)，還要降低器件與設(shè)備內(nèi)部發(fā)熱量，選擇應(yīng)用功耗低的其間，嚴(yán)格控制發(fā)熱元器件數(shù)量，并對(duì)開關(guān)頻率進(jìn)行優(yōu)化，將內(nèi)部發(fā)熱總量控制在一個(gè)較低的水平。

（2）散熱器設(shè)計(jì)。主要從三個(gè)方面著手：第一，插片設(shè)計(jì)。對(duì)插片長(zhǎng)度、厚度、高度以及數(shù)量進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)實(shí)際情況選擇，避免出現(xiàn)過度設(shè)計(jì)情況，減少材料的浪費(fèi)。第二，器件安裝。對(duì)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(shè)置在此，對(duì)于損耗較大的器件，需要預(yù)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)力矩進(jìn)行緊固處理。第三，表面處理。很對(duì)高壓變頻器表面會(huì)進(jìn)行氧化處理，對(duì)其散熱效果和熱阻進(jìn)行改善，提高器件散熱效果。（3）結(jié)溫計(jì)算。1）功率損耗。高壓變頻器處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，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(duì)散熱系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)幾種器件總功率進(jìn)行有效估算。續(xù)流二極管通態(tài)、關(guān)閉損耗分別為：

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

IGBT耗損主要包括通態(tài)、斷態(tài)、關(guān)閉、開通以及驅(qū)動(dòng)多種，功率耗散估算時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)分析通態(tài)、開通與關(guān)閉損耗。其中，通態(tài)損耗為：

IGBT開關(guān)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(jì)算。設(shè)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(zhǔn)點(diǎn)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(yīng)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(jìn)入空氣的熱阻，在計(jì)算分析時(shí)可以對(duì)稱部分熱量忽略不計(jì)；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(zhǔn)點(diǎn)到環(huán)境基準(zhǔn)點(diǎn)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(shí)，采取周期性通斷方式，在設(shè)計(jì)時(shí)需要分析瞬態(tài)熱阻對(duì)結(jié)溫波動(dòng)產(chǎn)生的影響，根據(jù)此來確定波動(dòng)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(jì)算公式為：Tj=Ta+PAV×Rja=Ta+PAV×（Rθ（j-c）+Rθ（c-a）+Rθ（c-s））

對(duì)熱阻進(jìn)行計(jì)算時(shí)，還要重視損耗功率波動(dòng)、負(fù)載波動(dòng)的分析，根據(jù)其波動(dòng)幅度，來確定下一步設(shè)計(jì)方向和優(yōu)化方法。正常狀態(tài)下，應(yīng)保證給定條件下最高溫度在125℃以內(nèi)，對(duì)于穩(wěn)態(tài)結(jié)溫計(jì)算裕量應(yīng)保留5℃。

2.2 整機(jī)散熱設(shè)計(jì)

風(fēng)道設(shè)計(jì)包括串聯(lián)風(fēng)道和并聯(lián)風(fēng)道兩種，其中串聯(lián)風(fēng)道比較簡(jiǎn)單，為垂直風(fēng)道可以降低風(fēng)阻，但是會(huì)對(duì)散熱效果產(chǎn)生一定影響，設(shè)計(jì)時(shí)要擴(kuò)大通風(fēng)面積，或者是高風(fēng)速來增加通風(fēng)量。并聯(lián)風(fēng)道需要在柜體后面配置風(fēng)倉(cāng)，冷卻空氣可以通過風(fēng)倉(cāng)匯總后由風(fēng)機(jī)抽出。另外，還要保證風(fēng)機(jī)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(dá)到目標(biāo)溫度值熱平衡。

3 結(jié)束語(yǔ)

高壓變頻器在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用越發(fā)廣泛，為提高其運(yùn)行可靠性，必須要就其散熱問題進(jìn)行研究，避免因散熱不及時(shí)而對(duì)設(shè)備運(yùn)行效果產(chǎn)生影響。

參考文獻(xiàn)：

[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(xué)，2012.

[2]李猛.高壓變頻器散熱與冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化應(yīng)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(dòng)自動(dòng)化，2015（03）：47-51.