大功率变频器如何散热才最佳
热设计
来源：导热邦
变频器为商业和工业电机提供动力和控制，必须根据其设计和应用环境进行热保护。变频器的主要优点是灵活的控制、平稳的启动和停机性能，以及在可变负载下运行的离心风机和泵所带来的显著节能。大多数大功率变频器及其附属电子配件都被集成到电气机柜中，如上图所示。变频器不但提高了系统效率，变频器本身的效率也非常高，损失只有2% 至4%。然而，由于大功率变频器中电能转换很大，即使效率损失较低，也会导致数千瓦到数十千瓦废热的产生，必须设法将这些热量耗散掉。然而，在恶劣环境中，无法使用过滤风扇冷却或通过直接的空气流来冷却，外壳的热量管理就成为设计流程的重要组成部分。研究策略，对于在恶劣环境中高效、被动且经济地冷却中、大功率密封外壳的变频器至关重要。开放式气流柜可让环境空气流通机柜，直接有效地冷却大功率模块。不过，这种高效的冷却，可能会导致外部污染物进入外壳，通常使用风扇过滤系统，来过滤流入机柜的空气，从而最大限度地减少这些污染物。过滤器有助于减少灰尘和碎片，但它们需要定期维护来清洁或更换过滤器。密封外壳不允许外部空气进入机柜，而是用机柜内的空气来冷却电子产品，并通过热交换器将热量导出到环境空气中。密封外壳可防止污垢、灰尘、湿度、盐雾和其它空气中的腐蚀性物质进入机柜，并影响电子元件的使用寿命。这两种系统都适用于低功耗机柜。然而，对于许多大功率变频器机柜来说，功耗水平高于空气冷却所能达到的水平。低功率部件一般直接通过气流进行冷却，而较高功率的部件则通过设施冷却水、蒸汽压缩系统或泵送液体系统直接或间接冷却。在这些系统中，大功率元件( 绝缘栅极双极晶体管、集成栅极换向晶闸管、硅控制整流器)，通常连接到流体冷却冷板上。然后，流体使用蒸汽压缩系统或通过液气热交换器，将热量排放到环境空气中。无论哪种情况，所需的环境空气热交换器都可以布置在设施内外。这些系统的主要缺点是将流体引入机柜和冷却液管线进出机柜所带来的挑战。环路热虹吸管（LTS）是重力驱动的两相冷却装置。它们的工作方式与热管相似，工作流体只要在一个封闭的循环中蒸发并冷凝，就可在给定的距离内传递热量。相对热管，环路热虹吸管的主要优点是能够使用导电工作液，高效、远距离传输大功率。与主动式液体冷却液、蒸汽压缩或泵送两相冷却系统相比，环路热虹吸管没有运动部件，可靠性更高。环路热虹吸管非常适合将大功率余热从机柜中的电力电子设备传递到机柜外部环境中。在工厂车间内就可以将机柜、电子设备和冷却系统安装到密封、独立的外壳中。每个机柜都是独立的，可以独立交付，在最终客户那里也易于安装。最简单的实现形式就是位于机柜顶部的风冷环路热虹吸管冷凝器。这样，机柜保持独立，在最终安装时只需要电气连接。环路热虹吸管冷凝器还可以连接到设施或冷却水系统。可以将余热从机柜和多个机柜中进一步消散，从而可以在同一个环路上工作。使用环路热虹吸管和冷水冷凝器时，管道和水的连接都在机柜外部，这样就可将冷却液和电子设备分开。环路热虹吸管是直接从高发热部件中排除大热量的绝佳方法。但二次部件的余热负荷仍需冷却。这些辅助组件，包括分散在机柜中的许多低功耗设备，这样通过直接接触来冷却就难易实现。对这些低功耗、热流较低的元件，直接空气冷却是最实用的方法。低功耗组件可以通过空气- 空气热交换器轻松冷却，同时保持外壳密封的完整性。在环路热虹吸管和密封式换热器组合中，高功率绝缘栅极双极晶体管（IGBT）或集成栅极换向晶闸管（IGCT）安装在环路热虹吸管冷板上，它的10 千瓦负荷加上热负荷，通过环路热虹吸管耗散到外部机柜空气中 ( 见图2)。所有的二次电子部件，都是通过密封的气-气热交换器冷却的，热交换器可以导出1 千瓦左右的废热。
环路热虹吸管和密封的空气- 空气热交换器保持原来的NEMA 机柜等级。二者的组合使大功率机柜能够维持密封性能，不受外部气流的影响，并且不会有冷却液在机柜内的流动。环路热虹吸管和密封外壳冷却器，为电力电子冷却应用提供了诸多优点。环路热虹吸管利用非常适合中、高压应用的导电工作液，通过被动方式来冷却高功率电子元件的大热量。密封的外壳冷却器，可以排出电力电子柜中的低功耗、分布式组件所产生的热量，同时防止外部空气中的污染物与这些组件相互作用。两种冷却解决方案的组合，可在恶劣工作环境所需的密封外壳中可靠地冷却大功率电机控制器。大小是相对而言的，电机功率大，变频器功率就要求大。如果一定要说大，我相信高铁这些场所使用的变频器的功率是比较大的，毕竟载重要求摆在那个地方了，对比之下，一般工厂用的变频器功率都没有那么大的。每种高铁列车的功率大小也会有差异，但是一般都有几千个千瓦以上，大的，比如CRH380A的16号编组，功率是19600千瓦，差不多2万千瓦了，这个几乎也是国内电机厂能生产的功率极限了（不过国产电机很少能用上这些场合）。一般这么大功率的，都是高压变频器，以往的罗宾康被西门子收购了，很多用在这些场所了。从目前变频器的构造分析，散热一般可分为以下三种：自然散热、对流散热、液冷散热和外部环境散热。对于小容量的变频器一般选用自然散热方式，其使用环境应通风良好，无易附着粉尘及飘浮物。此类变频器的拖动对象多为家用空调、数控机床之类，功率很小，使用环境比较优良。另外一种使用自然散热方式的变频器容量并不一定小，那就是防爆变频器。对于此类变频器小容量可以选用一般类型的散热器即可，要求散热面积在允许的范围内尽可能的大一些，散热肋片间距小一些，尽可能的增加热辐射面积。对于大容量的防爆变频器，如使用自然散热方式建议使用热管散热器。热管散热器是近年来新兴的一种散热器，它是热管技术与散热器技术结合的一种产品，它的散热效率极高，可以将防爆变频器的容量做的比较大，可达几百kVA。这种散热器相对普通散热器，所不同之处就是体积相对大，成本高。这种散热方式与水冷散热相比较还是有优势的：水冷要用水冷器件，水冷散热器以及必不可少的水循环系统等等，其成本比使用热管散热器散热高。业界反映热管散热器性能好，值得推广。自然散热的另外一种方式就是“穿墙式”自然散热，这种散热方式最多减少80％的热量，其特点是变频器的主体与散热片通过电控箱完全隔离，大大提高了变频器元器件的散热效果。这种散热方式最大的好处就是可以做到定时清理散热器，且能保证电控箱的防护等级做得更高。象常见的棉纺企业由于棉絮过多，经常容易堵塞变频器的通风道，导致变频器的过热故障，用穿墙式自然散热就能很好得解决这一问题。对流散热是普遍采用的一种散热方式，如图2所示。随着半导体器件的发展，半导体器件散热器也得到了飞速的发展，趋向标准化，系列化，通用化；而新产品则向低热阻，多功能，体积小，重量轻，适用于自动化生产与安装等方向发展。世界几大散热器生产商，产品多达上千个系列，并全部经过测试，提供了使用功率与散热器热阻曲线，为用户准确选用提供了方便。同时散热风机的发展也相当快，呈现出体积小，长受命，低噪声，低功耗，大风量，高防护的特点。如常用的小功率变频器散热风机只有25mm×25mm×10mm；日本SANYO长寿命风机可达200000h，防护等级可达IPX5；更有德国ebm大风量轴流风机，排风量高达5700m3/h。对流散热正是由于使用的器件(风机、散热器)选择比较容易，成本不是太高,变频器的容量可以做到从几十到几百kVA，甚至更高(采取单元并联方式)才被广为采用。内装风扇散热一般对于小容量的通用变频器使用。通过正确的安装变频器，可以使变频器的内装风扇的散热能力达到最大化。该内装风扇可以将变频器内部的热量带走。通过变频器所在的箱体的铁板，进行最终散热。只通过变频器内装风扇的散热办法适用与装有单独的变频器的控制箱，以及控制元件比较少的控制箱。如果变频器控制箱中，有若干台变频器，或者其他散热量比较大的电气元件，则散热的效果不十分明显。通过在安装变频器的控制箱内，增设若干台具有换气对流功能的风机，则可以大大提高变频器的散热效果，降低变频器工作环境的温度。我们根据经验算出每排出1kW功耗产生的热量,需要风机的排风量为360m³/h，而变频器的功耗为其容量的4～5%，这里我们按5%计算，可以得到变频器适配风机与其容量的关系：
风机的排风量(m3/h)=变频器容量×5%×360m³/h/kW=1620m³/h然后再通过风机的排风量选择不同厂家风机的型号获得满足我们条件的风机。一般说来，风机散热是现阶段变频器散热的主要手段，尤其适用在比较大的控制柜中，以及控制柜中拥有的电气部件同时工作、同时发热的情况下。适用于高度集成的集中控制柜、控制箱。而且近几年由于科技的不断进步，散热风机已经不像前几年那样的庞然大物，小巧而又强劲的风机比比皆是。性价比上也比其他散热方式好的多。水冷是工业液冷方式中较常用的一种方式，如图3所示。针对变频器这种设备选用该方式散热的很少，因为它的成本高，用在小容量变频器时体积大，再由于通用变频器的容量在几kVA到近百kVA，容量不是很大，很难将性价比做到让用户接受的程度，只有在特殊场合（如需要防爆）以及容量特别大的变频器才采用这种方式。水冷变频器在欧洲已有近十年的历史，广泛应用于轮船、机车等高功率且空间有限的场合。相对于传统的风冷变频器，水冷变频器更有效地解决了散热问题，从而使高功率变频器的体积大大缩小，性能更加稳定。体积的减小意味着节省了设备安装空间，从而有效地解决了很多特殊场合对变频器体积的要求。如芬兰VACON公司的400kW水冷变频器，其体积仅为同等级的风冷变频器的五分之一。资料表明，散热器表面经电泳涂漆发黑或阳极氧化发黑后，其散热量在自然冷却情况下可提高10~15%，在强迫风冷情况下可提高20~30%，电泳涂漆后表面耐压可达500~800V。所以在选择散热器及制定加工工艺时，对散热器进行上述工艺处理会大大提高本身的散热能力，还可以增强绝缘性，降低了因安装不当造成的爬电距离过小，电气间隙不够等带来的不利影响。散热效果优劣与安装工艺有密切关系，安装时应尽量增大功率模块与散热器的接触面积降低热阻，提高传热效果。在功率器件与散热器之间涂一层薄薄的导热硅脂可以降低热阻25~30%。如需要在功率器件与散热器之间加绝缘或加垫块来方便安装，建议使用低热阻材料：薄云母，聚酯薄膜或紫铜块，铝块。合理安排器件在散热器上的位置，单件安装时应使器件位于散热器基面中心位置，多件安装时应均匀分布。紧固器件时需保证扭力一致。安装完毕后不宜对器件及散热器再进行机械加工，否则会产生应力，增加热阻。单面肋片式散热器，适于在设备外部作自然风冷，即利于功率器件的通风又可降低机内温度。自然风冷时，应使散热器的断面平行于水平面的方向；强迫风冷时，应使气流的流向平行于散热器的肋片方向随着科技的进步，空调也逐渐被越来越多的应用到控制柜，控制箱的制作当中，并成为散热的重要手段之一。不过针对变频器这种设备选用该方式散热的很少，因为它的成本较高，体积相对较大，再由于通用变频器的容量在几kVA到几十kVA，容量不是特别大，很难将性价比做到让用户接受的程度，只有在特殊场合（如对工作环境要求的特别严格）以及容量特别大的变频器才采用这种方式。而且空调中，有的还涉及到废水的排除，所以在盘柜成套的过程中也要考虑的更加全面，增加了设计成本。另外，还有一些其他的原因也要考虑变频器的散热效果，比如高海拔（>1000m）,因为空气密度的降低，也要适当增加散热能力；还有开关频率，变频器的发热主要来自于IGBT（绝缘栅双极型晶体管），IGBT的发热又集中在开和关的瞬间。因此开关频率高时，变频器的发热量也变大。无论采用哪种散热方式，都应根据变频器的容量，确定它的功耗，选择适当的风机，以及适当的散热器，达到优良的性价比，同时也应将变频器所使用的环境因素充分考虑到。针对环境比较恶劣(高温，高湿，煤矿，油田，海上平台)的情况，必须采取相应的措施，确保变频器正常可靠的运行。从变频器本身，应尽可能的避免不利因素的影响，例如针对灰尘、风沙的影响可以进行密封处理，只有散热器风道与外界空气接触，避免了对变频器内部的影响；针对盐雾，潮湿等可以对变频器各部件进行绝缘喷涂处理；野外作业用变频器要加防护，做到防雨、防晒、防雾、防尘；对于高温高湿环境可以增加空调等设备进行降温除湿，给变频器一个良好的环境，确保变频器可靠运行，事实表明处理好变频器的散热不仅要求设计者从变频器本身做到，还要求使用者正确使用严格按照使用说明进行安装,有足够的通风空间，适合的使用环境，并且尽可能做到定期维护,尤其是煤炭等多粉尘行业，定期给使用环境除尘,对变频器风道除尘，这样才能使变频器的散热系统发挥正常功能，使变频器的温升在允许值之内，变频器才能可靠运行,而为企业带来更大的经济及社会效益。
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