高压变频器散热与冷却系统的设计

高压变频器散热与冷却系统的设计

发表时间：2019-07-30T14:58:52.417Z 来源：《基层建设》2019年第11期作者：龙洁1 雷陪2

[导读] 摘要：虽然高压变频调速系统效率比较高，但是在实际运行中仍然会产生2%~4%的损耗，全部转化成热量散失在大气中。

1.广东明阳龙源电力电子有限公司；

2.广新海事重工股份有限公司广东省中山市 528400

摘要：虽然高压变频调速系统效率比较高，但是在实际运行中仍然会产生2%~4%的损耗，全部转化成热量散失在大气中。要求散热系统可以将此部分热量全部排除，避免温升过高对高压变频器运行产生影响。因此，需要基于变频器热量来源特点，根据实际情况进行计算设计，对散热系统进行优化。

关键词：高压变频器；散热；冷却系统；设计

1、前言

高压变频器现在基本上已经采用驱动交流化，以及功率变频器等高频化技术，在持续运行过程中，单位体积所散热量逐渐增加。基于高压变频器运行稳定性和可靠性要求，必须要重点做好散热系统的设计，选择有效的冷却技术，做好各个部分设计优化。

2、高压变频器散热系统设计要点

2.1功率单元散热设计

（1）设计要点。对高压变频器功率单元进行散热设计时，对象主要为整流二极管、逆变模块等。将单元串联多电平结构高压变频器作为对象，其功率器件为IGBT，散热系统设计需要合理选择功率器件，保证元器件与原材料热稳定性与耐热性良好。还要根据实际情况来确定散热方法，提高散热速度，并降低环境温度。同时，还要降低器件与设备内部发热量，选择应用功耗低的其间，严格控制发热元器件数量，并对开关频率进行优化，将内部发热总量控制在一个较低的水平。

（2）散热器设计。主要从三个方面着手：第一，插片设计。对插片长度、厚度、高度以及数量进行计算，根据实际情况选择，避免出现过度设计情况，减少材料的浪费。第二，器件安装。对于散热器上的各类器件，要保证安装方案的合理性，尽量将高发热量器件设置在此，对于损耗较大的器件，需要预留出较大的面积。并且，所有散热器和功率器件的安装面均需要均匀涂抹散热硅脂，最大程度上降低接触热阻，并按照设计标准对力矩进行紧固处理。第三，表面处理。很对高压变频器表面会进行氧化处理，对其散热效果和热阻进行改善，提高器件散热效果。

（3）结温计算。1）功率损耗。高压变频器处于稳定运行状态时，功率单元耗散功率为为续流二极管、整流二极管以及IGBT总功率耗散。因此，在对散热系统进行设计时，需要对几种器件总功率进行有效估算。续流二极管通态、关闭损耗分别为：

整流二极管处于低频运行状态时，以通态损耗为主，在进行计算分析时，可以根据通态损耗功率以及通态平均电流关系曲线查找确定。IGBT耗损主要包括通态、断态、关闭、开通以及驱动多种，功率耗散估算时，应重点分析通态、开通与关闭损耗。其中，通态损耗为：

IGBT开关损耗为：

综上，功率单元总耗损功率为：

（2）结温计算。设IBGT热阻等效电路，Ta表示环境温度；Ts表示散热器表面温度；Tj-Tr表示IGBT结温；Tc表示IGBT管壳温度；Rθ（j-c）表示器件结到管壳基准点稳态热阻，且由厂家提供，一般情况下可以在数据表中给出相应瞬态热阻曲线在t→∞稳态值或上限值；Rθ（c-a）表示管壳不经过散热器散热，直接进入空气的热阻，在计算分析时可以对称部分热量忽略不计；Rθ（c-s）表示管壳到散热器触热阻，由厂家提供数据；Rθ（s-a）表示散热器基准点到环境基准点的热阻，此数值受散热器尺寸、形式以及冷却方式等因素影响。

在热平衡条件下，其间静态热阻为：

电力电子器件处于工作状态时，采取周期性通断方式，在设计时

需要分析瞬态热阻对结温波动产生的影响，根据此来确定波动是否超

过最大结温。其中，瞬态热阻为：

结合上述分析结果，可以确定电力电子其间结温以及散热器热阻计算公式为：Tj=Ta+PAV×Rja=Ta+PAV×（Rθ（j-c）+Rθ（c-a）+Rθ（c-s））

对热阻进行计算时，还要重视损耗功率波动、负载波动的分析，根据其波动幅度，来确定下一步设计方向和优化方法。正常状态下，应保证给定条件下最高温度在125℃以内，对于稳态结温计算裕量应保留5℃。

2.2整机散热设计

风道设计包括串联风道和并联风道两种，其中串联风道比较简单，为垂直风道可以降低风阻，但是会对散热效果产生一定影响，设计

时要扩大通风面积，或者是高风速来增加通风量。并联风道需要在柜体后面配置风仓，冷却空气可以通过风仓汇总后由风机抽出。另外，还要保证风机选型的合理性，保证充足冷空气可以持续流经散热器表面，控制散热系统达到目标温度值热平衡。

为保证更好的散热效果，选用并联风道，风机选择型号R4D630-AQ15-01，规格：630风机4极，德国EBM。一般情况下取风压为200Pa，根据技术参数可得风机的总风量为18.67m3/s。风仓总进风面积为1.79m2，考虑到并联风道布局、柜体密封效果、结构件及封板缝隙、风仓和风机安装等风阻因素，一般取风阻系数f为60%，计算可得单元风速为6.25m/s，满足单元散热要求。实验验证：整机装配后，进行通风测试，主回路实际测得整机进口风速为5.57m/s，单元柜体进风口面积4.05m2，折算到单元风速为6.32m/s，风道与风机的设计与理论计算结果基本符合。

负载测试：环境温度31.4℃，主回路电流为550A，f=50Hz，实测单元散热器表面温度为55.6℃，温升为24.3℃，IGBT结温为98.6℃，符合散热要求。

3、高压变频器冷却系统的设计

研究表明：高压变频器的故障率随环境温度升高而成指数上升，使用寿命则成指数下降。因此，高压变频器运行情况是否良好，冷却系统设计的优劣起着至关重要作用。

3.1冷却方式对比

目前高压变频器中所使用的冷却方式主要有强制风冷却（外循环）、空调密闭冷却（内循环）、空-水冷却和设备本体水冷。其中，强制风冷却（外循环）的设备投入和运维成本均较低，但是对环境要求高，适用于空气洁净、设备功率较小场所；空调密闭冷却（内循环）对环境无特殊要求，适用于在湿度大、粉尘等恶劣的场合；空-水冷却的成本较高，冷却效果可靠性也较高，适用于较大功率的场合；设备本体水冷的设备成本最高，但是冷却效果和可靠性也最好，主要用于超大功率的场所，但对冷却水有较高要求。

3.2高压变频器冷却系统设计实例

3.2.1冷却方案选择

仍以上述项目为例，根据客户现场要求和变频器功率较大，选择空-水冷方案。系统主要是由风管、轴流风机、换热器三部分组成。室内空气进入变频器，经过功率单元，通过柜顶风机排出，经过风管在轴流风机的送风作用下吹到换热器上，换热器的铜管中流入的冷水，热风经过散热片后，将热量传递给冷水，其热量被循环冷却水带走，变成冷风从散热片吹出，经过风管送到安装变频器的封闭室内。可以保证变频器室内的环境温度不高于40℃，达到降温的效果。

3.2.2空水冷却系统参数配置和试验验证

系统具体参数配置和实测值如表1所示，根据数据进行判断，与理论计算结果基本符合，符合该项目高压变频器的冷却要求。

表1 系统具体参数配置和实测值

4、结语

为确保设备能够正常、安全、可靠地运行，工程设计人员应根据不同的工况进行合理计算与设计，通过对热路各点温度比较准确的计算，风路风量和管路流量统计以及试验验证，以保证高效散热目标的实现。同时在设计中应综合考虑设备成本与功能配置的最优化，使项目投资运营方的经济收益最大化。

参考文献：

[1]董赫伦.高压变频器的散热器选择与性能研究[D].辽宁工程技术大学，2012.

[2]李猛.高压变频器散热与冷却系统的设计[J].自动化应用，2015（12）：171-173.

[3]王永鑫.中高压变频器冷却方案比较和选型分析[J].电气传动自动化，2015（03）：47-51.