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淺談大功率高壓變頻器散熱分析

454398 ? 來源:alpha007 ? 作者:alpha007 ? 2022-11-17 11:05 ? 次閱讀

來源:羅姆半導體社區

變頻器是應用變頻技術與微電子技術,通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。變頻器主要由整流(交流變直流)、濾波、逆變(直流變交流)、制動單元、驅動單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器靠內部IGBT的開斷來調整輸出電源的電壓和頻率,根據電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓,進而達到節能、調速的目的,另外,變頻器還有很多的保護功能,如過流、過壓、過載保護等等。隨著工業自動化程度的不斷提高,變頻器也得到了非常廣泛的應用。

在大型電力電子設備中,隨著溫度的增加,失效率也增加,因此大功率高壓變頻器 功率器件的熱設計直接關系到設備的可靠性與穩定性。大功率高壓變頻器往往要求有極高的可靠性,影響電力電子設備失效的主要形式是熱失效,據統計,50%以上的電子熱失效主要是由于溫度超過額定值引起的。從結構設計上來說散熱技術是保證設備正常運行的關鍵環節。為保證設備的正常工作,把大量的熱量散發出去,優化散熱與通風方案,進行合理的設計與計算,實現設備的高效散熱,對于提高設備的可靠性是十分必要的。

一、散熱計算

高壓變頻器在正常工作時,熱量來源主要是隔離變壓器、電抗器、功率單元、控制系統等,其中作為主電路電子開關的功率器件的散熱、功率單元的散熱設計及功率柜的散熱與通風設計最為重要。對igbt或igct功率器件來說,其pn結不得超過125℃,封裝外殼為85℃。有研究表明,元器件溫度波動超過±20℃,其失效率會增大8倍。

通常,變頻器安裝在控制柜中。我們要了解一臺變頻器的發熱量大概是多少,可以用以下公式估算:發熱量的近似值=變頻器容量(KW)×55在這里,如果變頻器容量是以恒轉矩負載為準的(過流能力150%*60s)如果變頻器帶有直流電抗器或交流電抗器,并且也在柜子里面,這時發熱量會更大一些,所以電抗器安裝在變頻器側面或測上方比較好。這時可以用估算:變頻器容量(KW)×60因為各變頻器廠家的硬件都差不多,所以上式可以針對各品牌的產品。注意:如果有制動電阻的話,因為制動電阻的散熱量很大,因此最好安裝位置和變頻器隔離開,如裝在柜子上面或旁邊等。

二、排風量計算

在最惡劣環境溫度情況下,計算散熱器最高溫度達到需求時候的最小風速。根據風速按照冗余放大率來確定排風量。排風量的計算公式為:Qf=Q/(Cpρ△T)

式中:

Qf:強迫風冷系統所須提供的風量。

Q:被冷卻設備的總熱功耗,

Cp=1005J/(kg℃):空氣比熱,J/(kg℃)。

ρ=1.11(m3/kg):空氣密度,

△T=10℃:進、出口處空氣的溫差,℃。

根據風量和風壓確定風機型號,使得風機工作在效率最高點處,即增加了風機壽命又提高了設備的通風效率。

三、風道設計

串聯風道是由每個功率模塊的散熱器上下相對,形成上下對應的風道,其特點由上下多個功率單元形成串聯的通路,結構簡單,風道垂直使得風阻?。坏捎诳諝鈴南碌缴洗嬖谝来渭訜岬膯栴},造成上面的功率單元環境溫差小,散熱效果差。

并聯風道中從每個功率單元的前面進風,對應的進風口并聯排列,在后面的風倉中匯總后由風機抽出,同時整個功率柜一般采用冗余的方法,有多個風機并聯運行,整體散熱效果好,并提高了設備的可靠性。但柜體后面要形成風倉,增大了設備的體積,同時由于各個功率單元后端到風機的距離不同,使得每個功率單元的風流量不一致,是設計的難點。

四、變頻器在高溫下的注意事項:

1、 認真監視并記錄變頻器人機界面上的各顯示參數,發現異常應即時反映

2、 認真監視并記錄變頻室的環境溫度,環境溫度應在-5℃~40℃之間。移相變壓器的溫升不能超過130℃

、 夏季溫度較高時,應加強變頻器安裝場地的通風散熱。確保周圍空氣中不含有過量的塵埃,酸、鹽、腐蝕性及爆炸性氣體

4、 夏季是多雨季節,應防止雨水進入變頻器內部(例如雨水順風道出風口進入)

5、 變頻器柜門上的過濾網通常每周應清掃一次;如工作環境灰塵較多,清掃間隔還應根據實際情況縮短

6、 變頻器正常運行中,一張標準厚度的A4紙應能牢固的吸附在柜門進風口過濾網上

7、 變頻室必須保持干凈整潔,應根據現場實際情況隨時清掃。

8、 變頻室的通風、照明必須良好,通風散熱設備(空調、通風扇等)能夠正常運轉。

五、散熱設計注意事項

1、 選用耐熱性和熱穩定性好的元器件和材料,以提高其允許的工作溫度;

2、 減小設備(器件)內部的發熱量。為此,應多選用微功耗器件,如低耗損型igbt,并在電路設計中盡量減少發熱元器件的數量,同時要優化器件的開關頻率以減少發熱量;

3、 采用適當的散熱方式與用適當的冷卻方法,降低環境溫度,加快散熱速度。

4、 風道出口處要有防護網,防塵孔直徑應不大于10mm,可采用“上邊緣長出下邊緣10cm”方式(此方式適用于用戶墻外有足夠的頂沿);或做風道彎頭以防雨/雪水倒灌,或飛禽/飛絮進入(此方式適用于外裸墻、無頂沿或頂沿較高且短的情況)﹔

5、 變頻器風機在與風道連接時風機上的防塵網不允許摘除;

6、 風道穿過墻體處,風道邊緣與墻體間不能有間隙;

審核編輯 黃昊宇


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