襄陽源創(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，從而延長設(shè)備的使用壽命，更好的服務(wù)于社會是多么重要。 2 散熱方式的分類 變頻器的散熱分為以下幾種:自然散熱，強迫風(fēng)冷，水冷。
2.1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(fēng)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方式(后面將論述)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。
2.2 強迫風(fēng)冷 強迫風(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(fēng)機的發(fā)展也相當(dāng)快，呈現(xiàn)出體積小，長受命，低噪聲，低功耗，大風(fēng)量，高防護的特點。如DELTA CPU風(fēng)扇體積只有25mm×25mm×10mm;日本SANYO長壽命風(fēng)機可達200000h，防護等級可達IPX5; 更有德國ebm大風(fēng)量軸流風(fēng)機，排風(fēng)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。強迫風(fēng)冷正是由于使用的器件(風(fēng)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。
2.3 水冷 水冷是工業(yè)冷卻較常用的一種方式。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，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。 2.4 小結(jié) 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(dāng)?shù)娘L(fēng)機，以及適當(dāng)?shù)纳崞�，達到優(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) tob_id_5319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�？煽康倪\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(fēng)沙的影響可以進行密封處理，只有散熱器風(fēng)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。
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(fēng)冷情況下可提高20~30%，電泳涂漆后表面耐壓可達500V~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(dāng)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(fēng)冷，即利于功率器件的通風(fēng)又可降低機內(nèi)溫度。自然風(fēng)冷時，應(yīng)使散熱器的斷面平行于水平面的方向;強迫風(fēng)冷時，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(P-N)溫度℃ Ta—環(huán)境空氣溫度℃ Rjc—由結(jié)點至管殼熱阻℃/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最大熱阻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，可適用于自冷或強冷。在用于強迫風(fēng)冷式散熱器選擇的資料中多介紹Rsa; 但對于自冷式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，而是允許得到最大值ΔTsa，因而得到能與常見自冷式圖形資料進行直接比較的參數(shù)。 利用式(1)通過下面的例子來說明如何為一只半導(dǎo)體器件選擇散熱器。某一只半導(dǎo)體器件其管芯結(jié)溫在運行時不得超過125℃(TJ)，在環(huán)境溫度為50℃(TA)時的功耗為10W(Q)，制造商提供的該器件的Rjc為1.5℃/W，Rcs可按 0.09℃/W計算，通過式(1)得到Rsa的表達式: 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最大值，如散熱器可提供Rsa較小值即可接受，因為最終的管芯結(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)機的一點經(jīng)驗 根據(jù)變頻器功耗可選擇適當(dāng)?shù)娘L(fēng)機為其散熱。根據(jù)經(jīng)驗每排出1kW功耗產(chǎn)生的熱量, 需要風(fēng)機的排風(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%計算，可以得到變頻器適配風(fēng)機與其容量的關(guān)系: 風(fēng)機的排風(fēng)量(m3/h)=變頻器容量×5%×360m3/h/kW 我們可根據(jù)上面的經(jīng)驗公式為JD-BP32-90J的變頻器選擇風(fēng)機，該變頻器容量為90kW 風(fēng)機的排風(fēng)量(m3/h)=90kW×5%×360m3/h/kW 風(fēng)機的排風(fēng)量=1620m3/h 根據(jù)此排風(fēng)量選擇風(fēng)機，通過資料我們選用德國ebm風(fēng)機,型號為w2e250-cl06-01,其排風(fēng)量為1730m3/h，這個值大于我們的計算值, 可以選用，實踐證明也是可行的。
5 結(jié)束語 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(fēng)空間，適合的使用環(huán)境，并且盡可能做到定期維護, 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)，變頻器才能可靠運行, 而為企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟及社會效益。
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