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，原來一直難于解決的高壓問題，近年來通過器件串聯(lián)或單元串聯(lián)得到了很好的解決。

?

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，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(jié)構(gòu)設(shè)計上來說散熱技術(shù)是保證設(shè)備正常運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

高壓變頻器設(shè)備功率大，一般為MW級，在正常工作時，會產(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)化散熱與通風方案，進行合理的設(shè)計與計算，實現(xiàn)設(shè)備的高效散熱，對于提高設(shè)備的可靠性是十分必要的。

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(tǒng)等，其中作為主電路電子開關(guān)的功率器件的散熱、功率單元的散熱設(shè)計及功率柜的散熱與通風設(shè)計最為重要。

對IGBT或IGCT功率器件來說，其pn結(jié)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。

散熱設(shè)計注意事項：

(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)計中盡量減少發(fā)熱元器件的數(shù)量，同時要優(yōu)化器件的開關(guān)頻率以減少發(fā)熱量；

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

排風量計算：

在最惡劣環(huán)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(jù)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(tǒng)所須提供的風量。

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、出口處空氣的溫差。

根據(jù)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(shè)備的通風效率。

風道設(shè)計：

串聯(lián)風道是由每個功率模塊的散熱器上下相對，形成上下對應(yīng)的風道，其特點由上下多個功率單元形成串聯(lián)的通路，結(jié)構(gòu)簡單，風道垂直使得風阻小；但由于空氣從下到上存在依次加熱的問題，造成上面的功率單元環(huán)境溫差小，散熱效果差。

并聯(lián)風道中從每個功率單元的前面進風，對應(yīng)的進風口并聯(lián)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(lián)運行，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倉，增大了設(shè)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(shè)計的難點。

根據(jù)串聯(lián)風道和并聯(lián)風道的特點，高壓變頻器選擇并聯(lián)風道設(shè)計，并形成了獨有的結(jié)構(gòu)專利技術(shù)。

仿真分析：

利用仿真軟件可以在以上各種不同結(jié)構(gòu)及層次上對系統(tǒng)散熱、溫度場及內(nèi)部流體運動狀態(tài)進行高效、準確、簡便的定量分析。根據(jù)仿真結(jié)果，對散熱結(jié)構(gòu)進行評估、修改，然后再次仿真，直到得到滿足要求的結(jié)果。通過這種方式，我們對熱失效進行了很好控制，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機變速運行進而達到節(jié)能效果的設(shè)備，習慣上把額定電壓在3kV到10kV之間的電動機稱為高壓電機，因此一般把針對3kV至10kV高電壓環(huán)境下運行的電動機而開發(fā)的變頻器稱為高壓變頻器。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、對流散熱、液冷散熱和外部環(huán)境散熱。

（一）自然散熱

對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)通風良好，無易附著粉塵及飄浮物。此類變頻器的拖動對象多為家用空調(diào)、數(shù)控機床之類，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。對于此類變頻器小容量可以選用一般類型的散熱器即可，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，可達幾百kVA。這種散熱器相對普通散熱器，所不同之處就是體積相對大，成本高。這種散熱方式與水冷散熱相比較還是有優(yōu)勢的：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，其特點是變頻器的主體與散熱片通過電控箱完全隔離，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清理散熱器，且能保證電控箱的防護等級做得更高。象常見的棉紡企業(yè)由于棉絮過多，經(jīng)常容易堵塞變頻器的通風道，導(dǎo)致變頻器的過熱故障，用穿墻式自然散熱就能很好得解決這一問題。

（二）對流散熱

對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，趨向標準化，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)品多達上千個系列，并全部經(jīng)過測試，提供了使用功率與散熱器熱阻曲線，為用戶準確選用提供了方便。同時散熱風機的發(fā)展也相當快，呈現(xiàn)出體積小，長受命，低噪聲，低功耗，大風量，高防護的特點。如常用的小功率變頻器散熱風機只有25mm×25mm×10mm；日本SANYO長壽命風機可達200000h，防護等級可達IPX5；更有德國ebm大風量軸流風機，排風量高達5700m3/h。這些因素為設(shè)計者提供了非常廣闊的選擇空間。

對流散熱正是由于使用的器件(風機、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)裝風扇散熱

內(nèi)裝風扇散熱一般對于小容量的通用變頻器使用。通過正確的安裝變頻器，可以使變頻器的內(nèi)裝風扇的散熱能力達到最大化。該內(nèi)裝風扇可以將變頻器內(nèi)部的熱量帶走。通過變頻器所在的箱體的鐵板，進行最終散熱。只通過變頻器內(nèi)裝風扇的散熱辦法適用與裝有單獨的變頻器的控制箱，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）變頻器外裝風機散熱

通過在安裝變頻器的控制箱內(nèi)，增設(shè)若干臺具有換氣對流功能的風機，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。使用風機的能力，可以通過變頻器的散熱量進行計算。下面說一說一般的選擇方法：

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

例如：變頻器功率為90千瓦，則：

風機的排風量(m3/h)=變頻器容量×5%×360m/h/kW=1620m/h

然后再通過風機的排風量選擇不同廠家風機的型號獲得滿足我們條件的風機。一般說來，風機散熱是現(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工作、同時發(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步，散熱風機已經(jīng)不像前幾年那樣的龐然大物，小巧而又強勁的風機比比皆是。性價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。針對變頻器這種設(shè)備選用該方式散熱的很少，因為它的成本高，用在小容量變頻器時體積大，再由于通用變頻器的容量在幾kVA到近百kVA，容量不是很大，很難將性價比做到讓用戶接受的程度，只有在特殊場合（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、機車等高功率且空間有限的場合。相對于傳統(tǒng)的風冷變頻器，水冷變頻器更有效地解決了散熱問題，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合對變頻器體積的要求。如芬蘭VACON公司的400kW水冷變頻器，其體積僅為同等級的風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%，在強迫風冷情況下可提高20~30%，電泳涂漆后表面耐壓可達500~800V。所以在選擇散熱器及制定加工工藝時，對散熱器進行上述工藝處理會大大提高本身的散熱能力，還可以增強絕緣性，降低了因安裝不當造成的爬電距離過小，電氣間隙不夠等帶來的不利影響。

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，單件安裝時應(yīng)使器件位于散熱器基面中心位置，多件安裝時應(yīng)均勻分布。緊固器件時需保證扭力一致。安裝完畢后不宜對器件及散熱器再進行機械加工，否則會產(chǎn)生應(yīng)力，增加熱阻。單面肋片式散熱器，適于在設(shè)備外部作自然風冷，即利于功率器件的通風又可降低機內(nèi)溫度。自然風冷時，應(yīng)使散熱器的斷面平行于水平面的方向；強迫風冷時，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)是專門用于大功率變頻器散熱的設(shè)備。空水冷將變頻器的熱風通過風道直接通過空-水冷裝置進行熱交換，由冷卻水直接將變頻器散失的熱量帶走；經(jīng)過降溫的冷風排回至室內(nèi)。空-水冷裝置內(nèi)通過冷水溫度低于33 ℃，即可以保證熱風經(jīng)過散熱片后將變頻器室內(nèi)的環(huán)境溫度控制在40℃以下，滿足變頻器對環(huán)境運行的要求，從而保證了變頻器室內(nèi)良好的運行環(huán)境。空水冷系統(tǒng)具有低能耗，高冷量，大風量的特點。

無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?shù)娘L機，以及適當?shù)纳崞鳎_到優(yōu)良的性價比，同時也應(yīng)將變頻器所使用的環(huán)境因素充分考慮到。針對環(huán)境比較惡劣(高溫，高濕，煤礦，油田，海上平臺)的情況，必須采取相應(yīng)的措施，確保變頻器正常可靠的運行。從變頻器本身，應(yīng)盡可能的避免不利因素的影響，例如針對灰塵、風沙的影響可以進行密封處理，只有散熱器風道與外界空氣接觸，避免了對變頻器內(nèi)部的影響；針對鹽霧，潮濕等可以對變頻器各部件進行絕緣噴涂處理；野外作業(yè)用變頻器要加防護，做到防雨、防曬、防霧、防塵；對于高溫高濕環(huán)境可以增加空調(diào)等設(shè)備進行降溫除濕，給變頻器一個良好的環(huán)境，確保變頻器可靠運行，事實表明處理好變頻器的散熱不僅要求設(shè)計者從變頻器本身做到，還要求使用者正確使用嚴格按照使用說明進行安裝,有足夠的通風空間，適合的使用環(huán)境，并且盡可能做到定期維護,尤其是煤炭等多粉塵行業(yè)，定期給使用環(huán)境除塵,對變頻器風道除塵，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)，變頻器才能可靠運行,而為企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟及社會效益。

審核編輯：劉清