襄陽(yáng)源創(chuàng)電氣有限公司王工告訴我們：變頻器散熱問題的處理

 

    1 引言   變頻器作為一種變流器在運(yùn)行過程中要產(chǎn)生一定的功耗。由于使用器件不同，控制方式不同，不同品牌，不同規(guī)格的變頻器所產(chǎn)生的功耗也不盡相同。資料表明變頻器的功耗一般為其容量的4~5%。其中逆變部分約占50%，整流及直流回路約40%，控制及保護(hù)電路為5~15%。10℃法則表明當(dāng)器件溫度降低10℃，器件的可靠性增長(zhǎng)一倍?？梢娙绾翁幚碜冾l器的散熱，降低溫升，提高器件的可靠性，從而延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，更好的服務(wù)于社會(huì)是多么重要。  2 散熱方式的分類   變頻器的散熱分為以下幾種:自然散熱，強(qiáng)迫風(fēng)冷，水冷。

 

    2.1自然散熱   對(duì)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(fēng)良好，無(wú)易附著粉塵及飄浮物。此類變頻器的拖動(dòng)對(duì)象多為家用空調(diào)、數(shù)控機(jī)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(duì)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(duì)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(lái)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(dá)幾百kVA。這種散熱器相對(duì)普通散熱器，所不同之處就是體積相對(duì)大，成本高。這種散熱方式與水冷方式(后面將論述)相比較還是有優(yōu)勢(shì)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。

 

    2.2 強(qiáng)迫風(fēng)冷   強(qiáng)迫風(fēng)冷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(biāo)準(zhǔn)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(dòng)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(dá)上千個(gè)系列，并全部經(jīng)過測(cè)試，提供了使用功率與散熱器熱阻曲線，為用戶準(zhǔn)確選用提供了方便。同時(shí)散熱風(fēng)機(jī)的發(fā)展也相當(dāng)快，呈現(xiàn)出體積小，長(zhǎng)受命，低噪聲，低功耗，大風(fēng)量，高防護(hù)的特點(diǎn)。如DELTA CPU風(fēng)扇體積只有25mm×25mm×10mm;日本SANYO長(zhǎng)壽命風(fēng)機(jī)可達(dá)200000h，防護(hù)等級(jí)可達(dá)IPX5; 更有德國(guó)ebm大風(fēng)量軸流風(fēng)機(jī)，排風(fēng)量高達(dá)5700m3/h。這些因素為設(shè)計(jì)者提供了非常廣闊的選擇空間。強(qiáng)迫風(fēng)冷正是由于使用的器件(風(fēng)機(jī)、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。

 

    2.3 水冷   水冷是工業(yè)冷卻較常用的一種方式。針對(duì)變頻器這種設(shè)備選用該方式散熱的很少，因?yàn)樗某杀靖?，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(jià)比做到讓用戶接受的程度，只有在特殊場(chǎng)合(如需要防爆)以及容量特別大的變頻器才采用這種方式。    2.4 小結(jié)   無(wú)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(dāng)?shù)娘L(fēng)機(jī)，以及適當(dāng)?shù)纳崞?，達(dá)到優(yōu)良的性價(jià)比，同時(shí)也應(yīng)將變頻器所使用的環(huán)境因素充分考慮到。針對(duì)環(huán) tob_id_5319境比較惡劣(高溫，高濕，煤礦，油田，海上平臺(tái))的情況，必須采取相應(yīng)的措施，確保變頻器正常可靠的運(yùn)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(duì)灰塵、風(fēng)沙的影響可以進(jìn)行密封處理，只有散熱器風(fēng)道與外界空氣接觸，避免了對(duì)變頻器內(nèi)部的影響;針對(duì)鹽霧，潮濕等可以對(duì)變頻器各部件進(jìn)行絕緣噴涂處理;野外作業(yè)用變頻器要加防護(hù)，做到防雨，防曬，防霧，防塵;對(duì)于高溫高濕環(huán)境可以增加空調(diào)等設(shè)備進(jìn)行降溫除濕，給變頻器一個(gè)良好的環(huán)境，確保變頻器可靠運(yùn)行。

 

    3 散熱器散熱效果及選用原則的討論  資料表明，散熱器表面經(jīng)電泳涂漆發(fā)黑或陽(yáng)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(qiáng)迫風(fēng)冷情況下可提高20~30%，電泳涂漆后表面耐壓可達(dá)500V~800V。所以在選擇散熱器及制定加工工藝時(shí)，對(duì)散熱器進(jìn)行上述工藝處理會(huì)大大提高本身的散熱能力，還可以增強(qiáng)絕緣性，降低了因安裝不當(dāng)造成的爬電距離過小，電氣間隙不夠等帶來(lái)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(shí)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(lái)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(shí)應(yīng)使器件位于散熱器基面中心位置，多件安裝時(shí)應(yīng)均勻分布。緊固器件時(shí)需保證扭力一致。安裝完畢后不宜對(duì)器件及散熱器再進(jìn)行機(jī)械加工，否則會(huì)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(fēng)冷，即利于功率器件的通風(fēng)又可降低機(jī)內(nèi)溫度。自然風(fēng)冷時(shí)，應(yīng)使散熱器的斷面平行于水平面的方向;強(qiáng)迫風(fēng)冷時(shí)，應(yīng)使氣流的流向平行于散熱器的肋片方向。  根據(jù)半導(dǎo)體器件的功耗選擇散熱器，可參考式(1):  Q = (Tj - Ta)÷(Rjc + Rcs + Rsa) (1)  式(1)中: Q—耗散功率 W  Tj—結(jié)點(diǎn)(P-N)溫度℃  Ta—環(huán)境空氣溫度℃   Rjc—由結(jié)點(diǎn)至管殼熱阻℃/W  Rcs—由管殼至散熱器熱阻℃/W   Rsa—由散熱器表面至環(huán)境空氣熱阻℃/W    在多數(shù)情況下，除由散熱器表面至空氣大熱阻Rsa以外，所有上述參數(shù)均為已知或者可以得到，因此該參數(shù)即為選擇散熱器的基礎(chǔ)。式(1)為一基本公式，可適用于自冷或強(qiáng)冷。在用于強(qiáng)迫風(fēng)冷式散熱器選擇的資料中多介紹Rsa; 但對(duì)于自冷式ΔTsa(散熱器與空氣溫差)則更為常見。由式(1)可得到如下簡(jiǎn)化結(jié)果:  ΔTsa = (Tj－Ta)－Q(Rjc＋Rcs) (2)   該式已不出現(xiàn)Rsa與Q乘積，而是允許得到大值ΔTsa，因而得到能與常見自冷式圖形資料進(jìn)行直接比較的參數(shù)。   利用式(1)通過下面的例子來(lái)說(shuō)明如何為一只半導(dǎo)體器件選擇散熱器。某一只半導(dǎo)體器件其管芯結(jié)溫在運(yùn)行時(shí)不得超過125℃(TJ)，在環(huán)境溫度為50℃(TA)時(shí)的功耗為10W(Q)，制造商提供的該器件的Rjc為1.5℃/W，Rcs可按 0.09℃/W計(jì)算，通過式(1)得到Rsa的表達(dá)式: 字串6  Rsa=(Tj－Ta)÷Q－(Rjc＋Rcs) (3)

 

    將已知數(shù)代入式(3) Rsa=(125-50)÷10-(1.5＋0.09)  Rsa=5.9℃/W    這就是可用的Rsa大值，如散熱器可提供Rsa較小值即可接受，因?yàn)榻K的管芯結(jié)溫將小于125℃規(guī)定值。利用Rsa值可以選擇各種散熱器并了解相應(yīng)的特性。

 

    4 選擇風(fēng)機(jī)的一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)   根據(jù)變頻器功耗可選擇適當(dāng)?shù)娘L(fēng)機(jī)為其散熱。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)每排出1kW功耗產(chǎn)生的熱量, 需要風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量為360m3/h，而變頻器的功耗為其容量的4~5%，這里我們按5%計(jì)算，可以得到變頻器適配風(fēng)機(jī)與其容量的關(guān)系:    風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量(m3/h)=變頻器容量×5%×360m3/h/kW   我們可根據(jù)上面的經(jīng)驗(yàn)公式為JD-BP32-90J的變頻器選擇風(fēng)機(jī)，該變頻器容量為90kW  風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量(m3/h)=90kW×5%×360m3/h/kW  風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量=1620m3/h   根據(jù)此排風(fēng)量選擇風(fēng)機(jī)，通過資料我們選用德國(guó)ebm風(fēng)機(jī),型號(hào)為w2e250-cl06-01,其排風(fēng)量為1730m3/h，這個(gè)值大于我們的計(jì)算值, 可以選用，實(shí)踐證明也是可行的。

 

    5 結(jié)束語(yǔ)   事實(shí)表明處理好變頻器的散熱不僅要求設(shè)計(jì)者從變頻器本身做到，還要求使用者正確使用 嚴(yán)格按照使用說(shuō)明進(jìn)行安裝, 有足夠的通風(fēng)空間，適合的使用環(huán)境，并且盡可能做到定期維護(hù), 尤其是水泥，煤炭等多粉塵行業(yè)，定期給使用環(huán)境除塵, 對(duì)變頻器風(fēng)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(yùn)行, 而為企業(yè)帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。

 

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