大功率高压变频器散热分析

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变频器是应用变频技术与微电子技术,通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流(交流变直流)、滤波、逆变(直流变交流)、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率,根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压,进而达到节能、调速的目的,另外,变频器还有很多的保护功能,如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高,变频器也得到了非常广泛的应用。

在大型电力电子设备中,随着温度的增加,失效率也增加,因此大功率高压变频器 功率器件的热设计直接关系到设备的可靠性与稳定性。大功率高压变频器往往要求有极高的可靠性,影响电力电子设备失效的主要形式是热失效,据统计,50%以上的电子热失效主要是由于温度超过额定值引起的。从结构设计上来说散热技术是保证设备正常运行的关键环节。为保证设备的正常工作,把大量的热量散发出去,优化散热与通风方案,进行合理的设计与计算,实现设备的高效散热,对于提高设备的可靠性是十分必要的。

一、散热计算

高压变频器在正常工作时,热量来源主要是隔离变压器、电抗器、功率单元、控制系统等,其中作为主电路电子开关的功率器件的散热、功率单元的散热设计及功率柜的散热与通风设计最为重要。对igbt或igct功率器件来说,其pn结不得超过125℃,封装外壳为85℃。有研究表明,元器件温度波动超过±20℃,其失效率会增大8倍。

通常,变频器安装在控制柜中。我们要了解一台变频器的发热量大概是多少,可以用以下公式估算:发热量的近似值=变频器容量(KW)×55在这里,如果变频器容量是以恒转矩负载为准的(过流能力150%*60s)如果变频器带有直流电抗器或交流电抗器,并且也在柜子里面,这时发热量会更大一些,所以电抗器安装在变频器侧面或测上方比较好。这时可以用估算:变频器容量(KW)×60因为各变频器厂家的硬件都差不多,所以上式可以针对各品牌的产品。注意:如果有制动电阻的话,因为制动电阻的散热量很大,因此最好安装位置和变频器隔离开,如装在柜子上面或旁边等。

二、排风量计算

在最恶劣环境温度情况下,计算散热器最高温度达到需求时候的最小风速。根据风速按照冗余放大率来确定排风量。排风量的计算公式为:Qf=Q/(Cpρ△T)

式中:

Qf:强迫风冷系统所须提供的风量。

Q:被冷却设备的总热功耗,

Cp=1005J/(kg℃):空气比热,J/(kg℃)。

ρ=1.11(m3/kg):空气密度,

△T=10℃:进、出口处空气的温差,℃。

根据风量和风压确定风机型号,使得风机工作在效率最高点处,即增加了风机寿命又提高了设备的通风效率。

三、风道设计

串联风道是由每个功率模块的散热器上下相对,形成上下对应的风道,其特点由上下多个功率单元形成串联的通路,结构简单,风道垂直使得风阻小;但由于空气从下到上存在依次加热的问题,造成上面的功率单元环境温差小,散热效果差。

并联风道中从每个功率单元的前面进风,对应的进风口并联排列,在后面的风仓中汇总后由风机抽出,同时整个功率柜一般采用冗余的方法,有多个风机并联运行,整体散热效果好,并提高了设备的可靠性。但柜体后面要形成风仓,增大了设备的体积,同时由于各个功率单元后端到风机的距离不同,使得每个功率单元的风流量不一致,是设计的难点。

四、变频器在高温下的注意事项:

1、 认真监视并记录变频器人机界面上的各显示参数,发现异常应即时反映

2、 认真监视并记录变频室的环境温度,环境温度应在-5℃~40℃之间。移相变压器的温升不能超过130℃

3、 夏季温度较高时,应加强变频器安装场地的通风散热。确保周围空气中不含有过量的尘埃,酸、盐、腐蚀性及爆炸性气体

4、 夏季是多雨季节,应防止雨水进入变频器内部(例如雨水顺风道出风口进入)

5、 变频器柜门上的过滤网通常每周应清扫一次;如工作环境灰尘较多,清扫间隔还应根据实际情况缩短

6、 变频器正常运行中,一张标准厚度的A4纸应能牢固的吸附在柜门进风口过滤网上

7、 变频室必须保持干净整洁,应根据现场实际情况随时清扫。

8、 变频室的通风、照明必须良好,通风散热设备(空调、通风扇等)能够正常运转。

五、散热设计注意事项

1、 选用耐热性和热稳定性好的元器件和材料,以提高其允许的工作温度;

2、 减小设备(器件)内部的发热量。为此,应多选用微功耗器件,如低耗损型igbt,并在电路设计中尽量减少发热元器件的数量,同时要优化器件的开关频率以减少发热量;

3、 采用适当的散热方式与用适当的冷却方法,降低环境温度,加快散热速度。

4、 风道出口处要有防护网,防尘孔直径应不大于10mm,可采用“上边缘长出下边缘10cm”方式(此方式适用于用户墙外有足够的顶沿);或做风道弯头以防雨/雪水倒灌,或飞禽/飞絮进入(此方式适用于外裸墙、无顶沿或顶沿较高且短的情况)﹔

5、 变频器风机在与风道连接时风机上的防尘网不允许摘除;

6、 风道穿过墙体处,风道边缘与墙体间不能有间隙;

相关资料:

SiC(碳化硅)功率器件

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变频器是应用变频技术与微电子技术,通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流(交流变直流)、滤波、逆变(直流变交流)、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率,根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压,进而达到节能、调速的目的,另外,变频器还有很多的保护功能,如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高,变频器也得到了非常广泛的应用。