變頻器柜的散熱設(shè)計(jì)

王夕旭，王光輝

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南 昆明 650231)

0 引 言

現(xiàn)代工礦企業(yè)已經(jīng)基本電氣化，而在這當(dāng)中各類(lèi)電機(jī)則是當(dāng)之無(wú)愧的主角。隨著生產(chǎn)工藝越來(lái)越復(fù)雜，產(chǎn)量不斷提高，電機(jī)的功率越來(lái)越大，加之變頻技術(shù)的日新月異，變頻器每千瓦單價(jià)的不斷下降，調(diào)速性能的不斷提高，效率和功率因數(shù)的巨大優(yōu)勢(shì)，變頻驅(qū)動(dòng)的大規(guī)模應(yīng)用浪潮也就隨之而來(lái)。但是和干重活的身份不匹配的是，變頻器比較嬌貴，對(duì)環(huán)境的要求往往較高。在實(shí)際工程中經(jīng)常出現(xiàn)散熱不良導(dǎo)致的高溫故障，或?yàn)榱烁纳粕豳Q(mào)然增加通風(fēng)，導(dǎo)致粉塵大量積聚引起變頻器損壞的故障。這就讓本是為了生產(chǎn)效率服務(wù)的工具變成了需要特殊照顧“寶貝”。可以看出，變頻器對(duì)溫度和粉塵是極為敏感的，而這兩項(xiàng)指標(biāo)又往往是一對(duì)矛盾，散熱好了，帶來(lái)的灰塵就多；隔離了灰塵，通風(fēng)量少散熱不佳。

在這個(gè)變頻器的全盛時(shí)代，如何讓變頻器工作得更加穩(wěn)定高效，減少不必要的損壞與維護(hù)，就成了擺在設(shè)計(jì)者和用戶(hù)面前的一大課題。除了部分功率較大的變頻器采用獨(dú)立柜式設(shè)計(jì)外，絕大多數(shù)的變頻器還是要加上外圍輔助元件，安裝在配電柜中按成套變頻柜的形式交到用戶(hù)手中，這就對(duì)柜體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出要求。

1 半導(dǎo)體的熱擊穿及變頻器熱量的來(lái)源

為什么發(fā)熱會(huì)對(duì)變頻器帶來(lái)如此大的影響呢？這是因?yàn)楣ぷ鬟^(guò)程中產(chǎn)生的能量損耗將以熱的形式聚集在功率半導(dǎo)體元件上，當(dāng)溫度超過(guò)半導(dǎo)體的熱擊穿溫度——結(jié)溫Tj時(shí)，元件將發(fā)生熱擊穿，造成不可逆受損，通常會(huì)發(fā)生短路等危險(xiǎn)情況。而長(zhǎng)時(shí)間的高溫運(yùn)行也將加劇半導(dǎo)體內(nèi)部的電子隧道效應(yīng)，這會(huì)使原本緩慢的半導(dǎo)體內(nèi)原子級(jí)別遷移加快，讓規(guī)則的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得不再規(guī)則，例如在PN結(jié)上出現(xiàn)坑洞，讓PN結(jié)失效，在微導(dǎo)線(xiàn)轉(zhuǎn)角處形成凸起，從而與旁邊的導(dǎo)線(xiàn)短接。最終導(dǎo)致元件失效，大大縮短設(shè)備壽命，降低可靠性。

變頻器，主要由整流(交流變直流)、濾波、逆變(直流變交流)、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元、微處理單元等組成。變頻器靠?jī)?nèi)部IGBT的高速開(kāi)斷來(lái)調(diào)整輸出的電壓和頻率，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來(lái)提供其所需要的電源參數(shù)，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的。

這其中，制動(dòng)單元為電阻耗能，只在有限工況下產(chǎn)生熱量。一般獨(dú)立成柜，目前已經(jīng)慢慢被電能回饋所取代。驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元和微處理單元主要由集成電路組成，負(fù)責(zé)變頻器的邏輯運(yùn)算和控制功率器件。一般工作在低電壓小電流狀態(tài)，功率通常不會(huì)超過(guò)變頻器輔助供電設(shè)計(jì)輸入功率，發(fā)熱功率通常為100 W以?xún)?nèi)。濾波單元主要為電容電抗等無(wú)源器件組成，發(fā)熱以器件分布阻抗為主，通常不會(huì)超過(guò)整機(jī)額定功率的2 ‰。

整流和逆變單元主要由半導(dǎo)體元件構(gòu)成，通常工作在開(kāi)關(guān)模式下，通過(guò)器件的選擇性導(dǎo)通關(guān)斷，如二極管的單向?qū)ê虸GBT的PWM脈寬調(diào)制，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)交流變直流(整流)或者直流變交流(逆變)，在這一開(kāi)一關(guān)之間能量損耗由此在半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生。下面我們以某系列變頻器常用的耐壓1700V額定電流450A的IGBT FS450R17KE3(以下簡(jiǎn)稱(chēng)FS450)為例，來(lái)說(shuō)明損耗的組成，給定其工作條件為IC=450A，VCE=900 V，開(kāi)關(guān)頻率FSW=3 kHz，占空比D=50 %，公式如下：

PD=PCES+Psat+PSW

(1)

式中：

PD—IGBT總損耗功率；

PCES—關(guān)斷反向漏電流損耗，反向漏電流通常為毫安級(jí)別，F(xiàn)S450為3.0 mA，產(chǎn)生的熱損耗根據(jù)P=D×UI為1.35 W，一般可忽略不計(jì)；

PSAT—導(dǎo)通壓降損耗，F(xiàn)S450為2.0 V～2.4 V，在額定電流450 A下根據(jù)P=D×UI可得，發(fā)熱功率為450 W～540 W，占總損耗的大部分。

PSW—開(kāi)關(guān)過(guò)程損耗。

半導(dǎo)體器件雖然是高速器件，但物理量都有個(gè)變化的過(guò)程。因此開(kāi)關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換也不可能一蹴而就，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，即上升時(shí)間(開(kāi))和下降時(shí)間(關(guān))，器件就會(huì)處于線(xiàn)性工作狀態(tài)。以FS450為例，其上升時(shí)間Ton=0.08～0.1 μs，下降時(shí)間Toff=0.18～0.3 μs。為了簡(jiǎn)化，假設(shè)負(fù)載為阻性負(fù)載，過(guò)程中電壓變化為線(xiàn)性變化，損耗功率可由下列近似公式求出：

即PSW為157.95 W～243 W。顯而易見(jiàn)，在工作電壓固定的情況下。工作頻率越高，單位時(shí)間內(nèi)開(kāi)關(guān)次數(shù)越多，而單次開(kāi)關(guān)的損耗只取決于其固有特性Ton和Toff，則該項(xiàng)損耗越大，這也是變頻器手冊(cè)普遍會(huì)不建議調(diào)高工作頻率的原因。

由上可見(jiàn)，在以IC=450 A，VCE=900 V，開(kāi)關(guān)頻率FSW=3 kHz的測(cè)試條件下，F(xiàn)S450的近似總功率損耗即發(fā)熱量PD為609.3～784.35 W。

以上數(shù)據(jù)均為近似計(jì)算，實(shí)際情況要復(fù)雜得多，一般無(wú)法由計(jì)算得出精確值。通常通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的手段得到變頻器的總熱損耗，一般查詢(xún)相應(yīng)變頻器的硬件手冊(cè)即可找到。某系列變頻器的最大熱損耗數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

半導(dǎo)體的熱擊穿溫度——結(jié)溫Tj一般為150 ℃(隨不同材料半導(dǎo)體而異)，變頻器的散熱設(shè)計(jì)就是圍繞使結(jié)溫不超過(guò)150 ℃來(lái)開(kāi)展的。通常，變頻器廠(chǎng)家會(huì)為變頻器設(shè)計(jì)完善的散熱措施及過(guò)熱保護(hù)，以滿(mǎn)足其運(yùn)行時(shí)的需要。以表1所示系列變頻器為例，在變流器模塊(IGBT)超過(guò)94 ℃(TWR)就將觸發(fā)報(bào)警，超過(guò)100 ℃(TAL)就將觸發(fā)故障停機(jī)。因此作為變頻柜的設(shè)計(jì)就是要以不超過(guò)報(bào)警限值為原則，以廠(chǎng)家給出的降容溫度曲線(xiàn)為基準(zhǔn)來(lái)整體考慮變頻柜的散熱問(wèn)題。

表1 某系列變頻器的熱損耗

2 基本散熱類(lèi)型的性能與選型比較

因?yàn)榉浪⒎缐m、防誤觸等防護(hù)和安全的需要，變頻器一般不會(huì)直接掛墻使用，要加上外圍輔助元件，安裝在配電柜中按成套變頻柜的形式交到用戶(hù)手中，這時(shí)候的變頻器就是工作在柜體圍成的空間內(nèi)運(yùn)行，但這樣的安裝方式必然帶來(lái)新的問(wèn)題。縱然變頻器自身的散熱設(shè)計(jì)沒(méi)有問(wèn)題，柜體也必然會(huì)成為散熱的負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致熱量無(wú)法被環(huán)境空氣直接帶走，這就要求柜體的設(shè)計(jì)考慮柜內(nèi)外的換熱和防護(hù)問(wèn)題。而變頻器選型的時(shí)候也必須按柜內(nèi)的估算溫度而不是環(huán)境溫度來(lái)考慮自身熱降容問(wèn)題。

按照不同的柜內(nèi)外換熱模式，變頻柜的散熱可分為自然冷卻型和強(qiáng)迫冷卻型。

2.1 自然冷卻型

自然冷卻型較為簡(jiǎn)單，可分為密閉型和格柵型。密閉型結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 密閉型柜體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

下面以密閉型為例，根據(jù)結(jié)構(gòu)基本耗熱量公式可以簡(jiǎn)單計(jì)算出密閉型在允許溫升下最大允許

內(nèi)部發(fā)熱量，這里假設(shè)變頻柜安裝在普通低壓配電室中，具體如下：

Q=K×A×ΔT

(3)

式中：

Q—最大允許發(fā)熱量；

K—結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)；

A—結(jié)構(gòu)面積；

ΔT—允許溫升。

(1)ΔT=TWR-TA

式中：

TR—變頻器環(huán)境降容溫度最大值，這里按表1系列變頻器手冊(cè)給出取55 ℃；

TA—環(huán)境溫度通常取現(xiàn)場(chǎng)年最高氣溫，為了計(jì)算方便這里取35 ℃。

ΔT即為20 ℃。

(2)假設(shè)變頻柜獨(dú)立放置，結(jié)構(gòu)面積為變頻柜表面積，按2 200×800×600算，為7.12m2。

(3)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)K。變頻柜柜體屬于均質(zhì)多層材料的平壁結(jié)構(gòu)，其傳熱過(guò)程見(jiàn)圖2。

Q—變頻器產(chǎn)生的熱量，tn—變頻柜內(nèi)部溫度，tm—變頻柜內(nèi)表面溫度，tv—變頻柜外表面溫度，tw—變頻柜外部環(huán)境溫度

結(jié)構(gòu)表面換熱過(guò)程是對(duì)流和輻射的綜合過(guò)程。內(nèi)表面換熱是壁面與臨近空氣和其他物體表面(如變頻器，低壓原件等)，由于溫差引起的自然對(duì)流以及部分變頻器自身散熱風(fēng)扇帶來(lái)的空氣流動(dòng)和輻射換熱作用。而外表面因處于低壓配電室中，無(wú)明顯風(fēng)力作用，故換熱作用主要是溫差引起的自然對(duì)流以及熱輻射作用。多層結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)K由下述公式確定：

式中：

R0—結(jié)構(gòu)傳熱阻；

αn—內(nèi)表面換熱系數(shù)；

λi—各層材料導(dǎo)熱系數(shù)；

αw—外表面換熱系數(shù)。

內(nèi)外表面換熱系數(shù)由于涉及到的條件十分復(fù)雜，準(zhǔn)確參數(shù)只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)室手段測(cè)試得到，這里按資料給出的上限取值，內(nèi)表面由于有變頻器風(fēng)機(jī)的擾動(dòng)，取值相應(yīng)增大。涂層由于較薄，僅為0.1 mm量級(jí)，熱阻可忽略不計(jì)。

an=10W/(·℃)，aw=8W/(·℃)，λ鋼=43.2 W/(m·℃)，δ鋼=2 mm

將以上數(shù)據(jù)帶入基本耗熱量公式：

Q=4.4435×7.12×20=632.759 W

即要保證變頻器在35 ℃室溫內(nèi)，降容允許最大溫度下穩(wěn)定運(yùn)行，采用全密閉型柜體的最大內(nèi)部熱損耗只能小于632.759 W，查詢(xún)上一章給出的熱損耗數(shù)據(jù)可得，在此種設(shè)計(jì)中只可采用不大于32 A(ACS880-11-032A-3)的變頻器。且需兼容運(yùn)行，大大增加了變頻器的投資。

格柵型和全密閉型類(lèi)似，散熱性能較密閉型稍強(qiáng)，但大幅犧牲了密閉性能，對(duì)防護(hù)性能不高的地方可以采用。相比密閉型，其在柜體上下部開(kāi)有少許散熱格柵，以形成熱對(duì)流，加強(qiáng)內(nèi)外熱量交換，這種設(shè)計(jì)在常規(guī)的配電柜上較為常見(jiàn)。但由于防蟲(chóng)防鼠的需要，格柵不可能開(kāi)的太多太大，變頻器排出的熱空氣還是基本只能在柜體內(nèi)部流動(dòng)，只有很少部分因?qū)α髯饔脦С龉裢狻＿@就導(dǎo)致了在犧牲了密封防護(hù)性能的同時(shí)，散熱能力并沒(méi)有太大的提升，依然只適用于1 000 W以下熱損耗的變頻器。由于涉及散熱格柵數(shù)量及大小等諸多變量，計(jì)算與取值十分復(fù)雜，這里就不再給出計(jì)算過(guò)程。格柵型柜體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 格柵型柜體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.2 強(qiáng)迫冷卻型

為了解決自然冷卻性能上的不足，強(qiáng)迫冷卻自然是最佳選擇。強(qiáng)迫冷卻型又分為很多子類(lèi)。

2.2.1 風(fēng)機(jī)強(qiáng)排型

既然只靠自然對(duì)流無(wú)法提供有效的熱量交換，那裝個(gè)風(fēng)機(jī)將熱空氣抽出，并吸入冷空氣就可以解決這個(gè)問(wèn)題，就相當(dāng)于繞開(kāi)了機(jī)殼這層壁壘，直接和環(huán)境空氣進(jìn)行熱量交換，這就相當(dāng)于增大了結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，這就是風(fēng)機(jī)強(qiáng)排型。這種類(lèi)型因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，設(shè)計(jì)生產(chǎn)方便而廣泛應(yīng)用于低粉塵、少濺水的工業(yè)場(chǎng)合。在粉塵和濺水的處理上只需要增加進(jìn)風(fēng)口百葉窗濾網(wǎng)即可很好的解決，但這要求后期運(yùn)行中定期清理濾網(wǎng)灰塵，否則進(jìn)風(fēng)效率會(huì)大幅度下降。而粉塵較大場(chǎng)合，提升濾網(wǎng)清潔頻率可解決部分問(wèn)題，但管理及勞動(dòng)強(qiáng)度會(huì)大幅升上。

設(shè)計(jì)選型中需根據(jù)變頻器的排風(fēng)量來(lái)選擇排風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，可以適當(dāng)選擇風(fēng)量小于變頻器風(fēng)量的排風(fēng)扇，因?yàn)榕棚L(fēng)扇主要是將柜內(nèi)堆積的熱空氣抽出柜外，不需要直接參與變頻器與空氣的熱交換。通常選0.8倍變頻器排風(fēng)量的風(fēng)機(jī)即可滿(mǎn)足需要。還應(yīng)當(dāng)注意出風(fēng)口百葉窗與進(jìn)風(fēng)口百葉窗的進(jìn)風(fēng)量、進(jìn)風(fēng)阻力和和進(jìn)風(fēng)壓力與排風(fēng)扇的配合，以保證進(jìn)風(fēng)量充足。

雖然，風(fēng)機(jī)強(qiáng)排解決了熱空氣無(wú)法有效排出的問(wèn)題，但在變頻柜的散熱應(yīng)用在，其也有先天的不足。首先，當(dāng)變頻器功率較大時(shí)，其額定排風(fēng)量較大，較難選擇與其風(fēng)量適配的風(fēng)機(jī)，且投入較大，風(fēng)量不足時(shí)變頻器排出的熱空氣將再次循環(huán)入變頻器，導(dǎo)致風(fēng)短路，影響變頻器熱量的穩(wěn)定排出。其次，當(dāng)柜體內(nèi)部元件較多的時(shí)候，進(jìn)入柜體的冷空氣無(wú)法有效進(jìn)入變頻器而直接被風(fēng)機(jī)帶走，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)利用率下降。正因有這些不足，風(fēng)機(jī)強(qiáng)排建議用在柜內(nèi)發(fā)熱量在2 000 W以下的場(chǎng)合。風(fēng)機(jī)強(qiáng)排型柜體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 風(fēng)機(jī)強(qiáng)排型柜體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.2.2 變頻器直排型

功率較大的變頻器在擁有較大的發(fā)熱量的同時(shí)，也配備了較為強(qiáng)力的冷卻風(fēng)機(jī)，且其內(nèi)部的風(fēng)道都是經(jīng)過(guò)優(yōu)化的，擁有很高的熱交換率和順暢的氣流特性。這樣我們就可以利用其風(fēng)機(jī)直接在柜體內(nèi)部構(gòu)筑風(fēng)道，將熱空氣送出柜外。實(shí)踐中一般用設(shè)計(jì)好的導(dǎo)風(fēng)罩將變頻器冷卻出風(fēng)口于柜外連通，防塵問(wèn)題同風(fēng)機(jī)強(qiáng)排沒(méi)有區(qū)別，也是根據(jù)變頻器排風(fēng)量選擇相應(yīng)的進(jìn)風(fēng)口濾網(wǎng)，定期清理即可。

設(shè)計(jì)選型中需根據(jù)變頻器的排風(fēng)口大小與變頻器安裝位置來(lái)設(shè)計(jì)導(dǎo)風(fēng)罩的尺寸與安裝位置，定制化程度較高。還應(yīng)當(dāng)注意進(jìn)出風(fēng)口百葉窗的進(jìn)風(fēng)量進(jìn)風(fēng)阻力和和進(jìn)風(fēng)壓力與變頻器冷卻風(fēng)機(jī)的配合，以保證進(jìn)風(fēng)量充足。

由于僅增加了導(dǎo)風(fēng)罩和進(jìn)風(fēng)濾網(wǎng)，變頻器直排型相較于風(fēng)機(jī)強(qiáng)排型散熱成本大幅下降，除了硬件成本，后期使用中的電費(fèi)和維護(hù)成本都會(huì)減少不少。同時(shí)，利用變頻器自身風(fēng)機(jī)也帶來(lái)了另一個(gè)顯而易見(jiàn)的好處，擺脫強(qiáng)制排風(fēng)機(jī)的限制后，可安裝變頻器大小幾乎就只受到柜體大小的制約，因此可以用于功率較大的變頻器組柜使用。變頻器直排型柜體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

圖5 變頻器直排型柜體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.2.3 配電室空調(diào)

根據(jù)前面的結(jié)構(gòu)基本耗熱量公式Q=K×A×ΔT可知，由于柜體不變即面積A無(wú)法改變，要想增加柜體散熱量Q，除了增大結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)外，增加ΔT，即增加柜內(nèi)外溫差也可以起到很好的增強(qiáng)散熱的效果，而通常變頻柜都放置于配電室中的，那么安裝空調(diào)給配電室降溫即可大大改善柜體的散熱表現(xiàn)。而且由于增加了空調(diào)，配電室可以做成密閉結(jié)構(gòu)，配合前面說(shuō)的風(fēng)機(jī)強(qiáng)排和變頻器直排柜體方案，將極大的改善變頻器的運(yùn)行環(huán)境，讓良好的散熱和密閉防護(hù)性能這對(duì)看起來(lái)矛盾的需求實(shí)現(xiàn)和諧統(tǒng)一。空調(diào)的增加也不會(huì)帶來(lái)太大的后期維護(hù)工作量。只是前期建設(shè)配電室需注意考慮密閉，以及空調(diào)安裝費(fèi)用和使用中的電費(fèi)會(huì)成為不小的成本。

2.2.4 密閉風(fēng)冷

不管是變頻器直排還是風(fēng)機(jī)強(qiáng)排，都不可避免的吸入外部灰塵，而現(xiàn)場(chǎng)又不一定有條件建設(shè)單獨(dú)的配電室，如果空氣中濕度很大，或者粉塵中含有導(dǎo)電顆粒，甚至增加短路等損壞風(fēng)險(xiǎn)。為了解決開(kāi)放風(fēng)冷的密閉性問(wèn)題，設(shè)立獨(dú)立的內(nèi)外循環(huán)，并采用面積巨大的換熱器進(jìn)行熱交換的就是密閉式風(fēng)冷。該類(lèi)裝置擁有一個(gè)交叉熱流的熱交換裝置，內(nèi)部熱風(fēng)經(jīng)內(nèi)循環(huán)進(jìn)入內(nèi)通道，冷熱風(fēng)在核心內(nèi)外通道壁進(jìn)行熱交換，外循環(huán)將內(nèi)部熱風(fēng)冷卻，帶走熱量。內(nèi)外循環(huán)系統(tǒng)被完全隔了開(kāi)，保證了內(nèi)循環(huán)的密閉性。根據(jù)外循環(huán)的介質(zhì)不同，又可分為風(fēng)風(fēng)冷和水風(fēng)冷以及制冷風(fēng)冷。

(1)風(fēng)風(fēng)冷也叫空空冷或者氣氣熱交換器，內(nèi)外循環(huán)都使用空氣為介質(zhì)，內(nèi)外循環(huán)的空氣在風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，在熱交換器(通常為散熱翅片)處進(jìn)行熱交換，從而達(dá)到降低柜內(nèi)溫度的目的。由于增加了額外設(shè)備，成本會(huì)相應(yīng)增加。但內(nèi)外循環(huán)系統(tǒng)完全隔，后期維護(hù)工作量會(huì)比開(kāi)放風(fēng)冷的方案略少，不過(guò)定期吹掃外循環(huán)的換熱器還是保證系統(tǒng)穩(wěn)定允許的必不可少的工作。如果維護(hù)不到位的話(huà)，久而久之，將出現(xiàn)進(jìn)風(fēng)口、散熱片積塵，從而影響散熱。風(fēng)風(fēng)冷型柜體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。

圖6 風(fēng)風(fēng)冷型柜體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

(2)水風(fēng)冷也叫水空冷或者水氣熱交換器，外循環(huán)使用冷卻液為介質(zhì)，冷卻液與柜內(nèi)熱空氣經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)在水氣熱交換器中進(jìn)行熱交換。由于液體比熱容高，表面換熱系數(shù)大。因此在提供和風(fēng)風(fēng)冷一樣的密封性能的同時(shí)，水風(fēng)冷可以做到同體積更大的熱交換能力，或者同樣熱交換能力下更下的體積。并且，由于外循環(huán)使用冷卻液，柜體換熱器本身不再需要頻繁維護(hù)，如果使用防凍冷卻劑，還可滿(mǎn)足低于零度的環(huán)境要求。但相比于風(fēng)風(fēng)冷，其水循環(huán)設(shè)備將帶來(lái)不小的投入，且維護(hù)水循環(huán)設(shè)備也需要更大的工作量。水風(fēng)冷型柜體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7。

圖7 水風(fēng)冷型柜體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

(3)制冷風(fēng)冷通常以壓縮機(jī)壓縮冷媒的相變吸熱制冷，或者半導(dǎo)體制冷片的熱量搬運(yùn)制冷，然后利用換熱器將柜內(nèi)溫度降低，從而達(dá)到散熱目的。保證密封性的同時(shí)，可以用于環(huán)境溫度較高的場(chǎng)合，避免了一般冷卻散熱形式受ΔT制約的問(wèn)題。后期維護(hù)也只是給外機(jī)散熱片進(jìn)行吹掃，工作量和風(fēng)風(fēng)冷相差無(wú)幾。缺點(diǎn)在于體積通常較大，對(duì)安裝空間要求較高；投資較大，需給每臺(tái)柜體單獨(dú)配置制冷裝置；且運(yùn)行能耗較大。制冷風(fēng)冷型柜體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8。

圖8 制冷風(fēng)冷型柜體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

通常，風(fēng)風(fēng)冷、水風(fēng)冷、空調(diào)制冷都為成套產(chǎn)品，這里以風(fēng)風(fēng)冷給特定的變頻器散熱為例，簡(jiǎn)述其選型計(jì)算過(guò)程。水風(fēng)冷、空調(diào)制冷的選型過(guò)程類(lèi)似，這里不再贅述。

例如，1臺(tái)熱損耗功率為Q=2 000 W的變頻器，需要工作在Ta=30 ℃的高粉塵高濕度環(huán)境中，變頻器的不降容溫度為T(mén)min=40 ℃，即柜內(nèi)溫度不能高于40 ℃，在不考慮柜體本身散熱能力的情況下，求風(fēng)風(fēng)冷的熱交換能力即熱阻θg。

選型計(jì)算如下：

ΔT=Tmin-Ta=10 ℃

θg=Q/ΔT=200 W/K

即只要由產(chǎn)品手冊(cè)中所示數(shù)據(jù)表查得相應(yīng)型號(hào)，選擇熱交換能力大于200 W/K的產(chǎn)品，即可滿(mǎn)足變頻器工作要求。

2.2.5 直接水冷

這種冷卻方式一般用在空間狹小，對(duì)冷卻性能較高的場(chǎng)合。其主要原理是將IGBT等發(fā)熱元件由接觸散熱片散熱改為接觸水冷模塊散熱，冷卻介質(zhì)由比熱容更大，換熱效率更高的冷卻液替代性能較差的空氣，熱端換熱器體積可以做到相同換熱功率氣冷的1/3～1/2，但水循環(huán)設(shè)備和冷端換熱設(shè)備體積龐大。一般直接由設(shè)備廠(chǎng)家配套，用戶(hù)自己無(wú)法加裝，成本較高，且維護(hù)難度較大。在變頻器應(yīng)用中較為少見(jiàn)，只用在大功率、空間受限、高防護(hù)要求的場(chǎng)合。

從散熱、密閉、體積、成本和維護(hù)五個(gè)維度對(duì)各類(lèi)型的散熱方式做了對(duì)比。詳見(jiàn)表2。

表2 散熱方式分類(lèi)與性能比較

由此可見(jiàn)，各個(gè)類(lèi)型的在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中并不存在絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)將運(yùn)行環(huán)境與經(jīng)濟(jì)性綜合考慮，從而有取舍的選用。

3 結(jié) 語(yǔ)

變頻器的散熱在實(shí)際工程中常常是被忽視的一環(huán)，而往往其又對(duì)變頻器的高效長(zhǎng)期運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，如果散熱不達(dá)標(biāo)將大大限制其性能的發(fā)揮，并在使用中帶來(lái)極大的不確定性。所以在設(shè)計(jì)之初就要根據(jù)廠(chǎng)家給出的散熱參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的溫度、濕度、粉塵等運(yùn)行條件，及項(xiàng)目投資，因地制宜地選擇合適的散熱方式。同時(shí)還要根據(jù)散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力來(lái)考慮變頻器溫度降容的問(wèn)題，而不是單純的只考慮氣象資料中的環(huán)境溫度，畢竟變頻器是運(yùn)行在封閉空間中，而不是直接運(yùn)行在大氣環(huán)境的。

綜上所述，只有為變頻器創(chuàng)造一個(gè)好的運(yùn)行條件，這個(gè)現(xiàn)代科技結(jié)晶的產(chǎn)物才能更好地成為工業(yè)的驅(qū)動(dòng)力，真正成為提高生產(chǎn)效率利器，而不是變成需要特別照顧的“寶貝”。