变频器散热器

1.1 矿用隔爆滤波型变频器散热器简介

随着我国工业的不断发展，对资源需求量也越来越大，对应的资源行业也成为我国重要的产业之一。而传统的煤炭行业也成为我国资源行业中的重中之重。变频器自80年代进入我国以来，在短短的二十年间里得到了非常广泛的应用。为了适应煤矿节能和安全生产要求，煤矿用隔爆型变频器的使用也越来越多，其场合主要用于矿井下胶带运输机、提升绞车、风机、水泵、刮板运输机等负载类型，要求具有极高的可靠性。影响变频器的可靠性指标有多项，其通风与散热就是一个至关重要的环节。

变频器正常工作时，产生高热量的元器件有隔离变压器、电子功率元件、电抗器和滤波器。普通型变频器的结构是与外界相通的，通过与空气的自然交换，很容易解决其散热问题，但隔爆型变频器长期处于封闭的腔体内，热量在一个固定的小空间内循环，通过隔爆外壳与外界热交换，热量不能及时散出，所以其故障率随腔体的温度上升而增加，使用寿命随温度升高呈指数的下降。这就要求我们根据实际情况合理的选择隔爆型变频器的散热方式。

本课题所研究的是一种矿用隔爆滤波型变频器散热器，包括散热器结构的设计和冷却介质的选择两方面的内容。

1.2 矿用隔爆滤波型变频器散热器的散热方法

变频器的发热是由内部的损耗产生的。在变频器中各部分损耗中主要以主电路为主，约占98%，控制电路占2%。资料表明变频器的功耗一般为其容量的4~5%。其中逆变部分约占50%，整流及直流回路约40%，控制及保护电路为5~15%。10℃法则表明当器件温度降低10℃，器件的可靠性增长一倍。为了保证变频器正常可靠的运行，就必须处理好变频器的散热问题。而变频器散热的问题，主要则是变频器工作环境的温度及散热问题。

对于变频器的散热方法，通常分为以下三种：

一、内装风扇散热

内装风扇散热一般对于小容量的通用变频器使用。通过正确的安装变频器，可以使变频器的内装风扇的散热能力达到最大化。该内装风扇可以将变频器内部的热量带走。通过变频器所在的箱体的铁板，进行最终散热。只通过变频器内装风扇的散热办法适用与装有单独的变频器的控制箱，以及控制元件比较少的控制

箱。如果变频器控制箱中，有若干台变频器，或者其他散热量比较大的电气元件，则散热的效果不十分明显。

二、风机散热

通过在安装变频器的控制箱内，增设若干台具有换气对流功能的风机，则可以大大提高变频器的散热效果，降低变频器工作环境的温度。使用风机的能力，可以通过变频器的散热量进行计算。下面说一说一般的选择方法

我们根据经验算出每排出1kW功耗产生的热量,需要风机的排风量为360m³/h，而变频器的功耗为其容量的4~5%，这里我们按5%计算，可以得到变频器适配风机与其容量的关系：

风机的排风量(m3/h)=变频器容量×5%×360m³/h/kW

我们可根据上面的经验公式为90kW的通用变频器选择风机

风机的排风量(m3/h)=90kW×5%×360m³/h/kW

风机的排风量=1620m³/h

然后再通过风机的排风量选择不同厂家风机的型号。获得满足我们条件的风机。

一般说来，风机散热是现阶段变频器散热的主要手段。尤其适用在比较大的控制柜中，以及控制柜中拥有的电气部件同时工作，同时发热的情况下。适用于高度集成的集中控制柜、控制箱。而且近几年由于科技的不断进步，散热风机已经不像前几年那样的庞然大物，小巧而又强劲的风机比比皆是。性价比上也比其他散热方式好的多。

三、空调散热

随着科技的进步，空调也逐渐被越来越多的应用到控制柜，控制箱的制作当中。并也成为散热的重要手段之一。不过针对变频器这种设备选用该方式散热的很少，因为它的成本较高，体积相对较大，再由于通用变频器的容量在几kVA 到几十kVA，容量不是特别大，很难将性价比做到让用户接受的程度，只有在特殊场合（如对工作环境要求的特别严格）以及容量特别大的变频器才采用这种方式。而且空调中，有的还涉及到废水的排除，所以在盘柜成套的过程中也要考虑的更加全面，增加了设计成本。

另外，还有一些其他的原因也要考虑变频器的散热效果，比如高海拔

（>1000m）,因为空气密度的降低，也要适当增加散热能力；还有开关频率，变频器的发热主要来自于IGBT（绝缘栅双极型晶体管），IGBT的发热又集中在开和关的瞬间。因此开关频率高时，变频器的发热量也变大。

事实表明处理好变频器的散热不仅要求设计者从变频器本身做到，还要求使用者正确使用严格按照使用说明进行安装,有足够的通风空间，适合的使用环境，并且尽可能做到定期维护,尤其是煤炭等多粉尘行业，定期给使用环境除尘,对变频器风道除尘，这样才能使变频器的散热系统发挥正常功能，使变频器的温升在允许值之内，变频器才能可靠运行,而为企业带来更大的经济及社会效益。

1.3 国内外变频器散热器技术现状

1 引言

变频器在工作过程中，因主回路中功率器件损耗而产生热量，从而影响电子设备的正常运行，若变频器系统的散热能力不强，则功率的耗散就会造成电力电子器件内部芯片有源区温度上升及其结温升高。电力电子器件的失效率与其结温成指数关系［1］，即其性能随着结温升高而降低。器件的工作温度每升高10℃，其失效率增加1倍［2］。因此，随着中大功率变频器得到越来越广泛的应用，为了提高其工作性能和可靠性，在变频器系统中采取合理的外部散热措施，显得非常必要和迫切。

目前，变频器设备常用的散热技术有：自然空气散热、强制风冷、水冷和热管等，本文阐述这几种常用散热技术的原理和特点，根据工程现场实际需要，研发设计人员可以选择相应的散热技术。

图1翅片散热器

2 常见散热方式

2.1空气自然散热

空气自然散热方式是指不使用任何外部辅助能量的情况下，实现变频器发热器件向周围环境散热达到温度控制的目的。通常包含导热、对流和辐射三种主要传热方式，其中对流以自然对流方式为主。空气自然散热方式往往适用于功耗低于50w，对温度控制要求不高、器件发热的热流密度不大的低功耗器件和部件，以及密封或密集组装的器件不宜（或不需要）采用其它冷却技术的情况下。另外，采用此种散热方式的变频器需要加大散热器的体积和面积来实现自然冷却。此种散热方式的缺点是：自由对流时散热器的热阻往往大于功率模块的内部热阻。

2.2强制风冷散热

风冷散热器分为翅片散热片和风扇两部分。翅片散热器是与热源直接接触的部分如图1所示，负责将热源发出的热量引出；风扇则用来给散热器强制对流冷却降温。其冷却效果与使用的散热器的结构密切相关。目前有关研究主要集中在散热器的散热特性及结构、材料的优化上。影响强制对流冷却效果的另一个参数是风速，风速越大，

散热器的热阻越小，但流动阻力越大，适当提高风速有利于热阻的降低，但风速超过一定数值之后再提高已无多大意义［3］。