大功率高压变频器的散热分析方法（大功率高压变频器的散热分析实验报告）

变频器是利用功率半导体器件的通断功能将工频电源变换为另一频率的电力控制装置。随着现代电力电子技术和微电子技术的快速发展，高压大功率变频调速装置不断成熟。一直以来难以解决的高压问题，近年来通过器件或单元的串联得到了很好的解决。在大型电力电子设备中，随着温度升高，故障率也随之增加。因此，大功率高压逆变器功率器件的热设计直接关系到设备的可靠性和稳定性。大功率、高压变频器往往需要极高的可靠性。影响电力电子设备的主要故障形式是热故障。据统计，50%以上的电子热故障主要是由于温度超过额定值引起的。

从结构设计角度来看，散热技术是保证设备正常运行的关键环节。高压变频设备功率较大，一般为MW级，正常运行时会产生大量热量。为了保证设备的正常运行，需要散发大量的热量，优化散热通风方案，进行合理的设计计算，实现设备的高效散热，提高设备的可靠性。设备。

散热计算：

高压逆变器正常运行时，热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、功率器件的散热设计机组的散热和通风设计最为重要。对于IGBT或IGCT功率器件，pn结不得超过125，封装外壳为85。研究表明，如果元件的温度波动超过20，其故障率将增加8倍。

热设计考虑因素：

(1)选用耐热性和热稳定性好的元件和材料，提高其允许工作温度；

(2)减少设备(装置)内部产生的热量。为此，应采用更多的微功耗器件，如低损耗IGBT，并在电路设计中尽量减少发热元件的数量。同时，应优化器件的开关频率，以减少发热；

(3)采用适当的散热方法，采用适当的冷却方法，降低环境温度，加快散热速度。

排风量计算：

在最恶劣的环境温度条件下，计算散热器最高温度达到需求时的最小风速。排风量根据风速和冗余放大比确定。排风量计算公式为：Qf=Q/(CpT)

在公式：

Qf：强制风冷系统所需的风量。

问：被冷却设备的总热功耗。

Cp=1005J/(kg)：空气比热，J/(kg)。

=1.11(m3/kg)：空气密度。

T=10：进、出口空气的温差。

根据风量、风压确定风机型号，使风机工作在最高效率点，增加风机寿命，提高设备通风效率。

风道设计：

串联风道由各功率模块的散热器上下相对组成，形成上下对应的风道。其特点是多个上下功率单元形成串联路径。结构简单，垂直风道使风阻小；但由于空气从底部流动，存在顺序加热的问题，导致上方功率单元之间的环境温差较小，散热效果较差。

在并联风道中，空气从各动力单元的前面进入，对应的进风口平行布置。它被收集在后面的空气筒仓中并由风机抽出。同时，整个电源柜一般采用冗余方式，多个风扇并联运行。整体散热效果良好，提高了设备的可靠性。但柜后必须形成空气仓，增加了设备的体积。同时，由于每个功率单元后端到风扇的距离不同，导致每个功率单元的风量不一致，这也是设计中的一个难点。

根据串联风道和并联风道的特点，高压变频器选择并联风道设计，形成独特的结构专利技术。

仿真分析：

利用仿真软件可以对上述各种结构和层次的系统散热、温度场以及内部流体运动状态进行高效、准确、简单的定量分析。根据仿真结果，对散热结构进行评估、修改，然后再次进行仿真，直至得到满足要求的结果。这样我们就对热故障有了很好的控制，大大提高了器件的可靠性和稳定性。

变频器是一种可以让电机变速运行以达到节能效果的装置。习惯上将额定电压在3kV至10kV之间的电机称为高压电机。因此，普遍开发了在3kV至10kV高压环境下运行的电机。该变频器称为高压变频器。与低压变频器相比，高压变频器适用于大功率风电、水泵的变频调速，可以实现显着的节能效果。

变频器通用散热方法

从目前逆变器的结构分析，散热一般可分为以下三种：自然散热、对流散热、液冷散热和外部环境散热。

(1)自然散热

对于小容量逆变器，一般采用自然散热，运行环境应通风良好，无灰尘和易附着的漂浮物。这类变频器的驱动对象多为家用空调、数控机床等，功率很小，使用环境比较好。

另一种利用自然散热的逆变器容量不一定小，那就是防爆逆变器。对于小容量的此类逆变器，可采用通用型散热器。要求散热面积在允许范围内尽可能大，散热片间距小，尽可能增大散热面积。对于大容量防爆逆变器，如果采用自然冷却，建议使用热管散热器。热管散热器是近年来新兴的散热器类型。它是热管技术和散热器技术相结合的产品。具有极高的散热效率，可以使防爆逆变器的容量更大，可达数百kVA。与普通散热器相比，这种散热器的不同之处在于体积较大，成本较高。这种散热方式与水冷相比还是有优势的：水冷需要水冷装置、水冷散热器以及必要的水循环系统等，其成本比采用热管散热器散热要高。业内人士表示，热管散热器性能良好，值得推广。

另一种自然散热方式是“穿墙”自然散热。这种散热方式最多可减少80%的热量。其特点是变频器主体与散热器通过电控箱完全隔离，大大提高了变频器的效率。器件的散热效果。这种散热方式的最大优点是可以定期清洁散热器，保证电控箱的防护等级更高。例如，在常见的棉纺企业中，过多的棉絮常常会堵塞变频器的通风道，导致变频器过热故障。利用穿墙自然散热的方式可以很好地解决这个问题。

(2)对流散热

对流散热是一种常用的散热方式。随着半导体器件的发展，半导体器件散热器也迅速发展，趋于标准化、系列化、通用化；而新产品往往具有低热阻、多功能、体积小、重量轻、适合自动化生产和安装等特点。其他方向的发展。全球各大散热器制造商拥有上千个系列的产品，均经过测试并提供使用功率和散热器热阻曲线，方便用户准确选型。同时，散热风扇的发展也很快，呈现出体积小、寿命长、噪音低、功耗低、风量大、防护性高等特点。例如，常用的小功率变频器散热风扇尺寸仅为25mm25mm10mm；日本SANYO长寿命风扇可达200000h，防护等级可达IPX5；还有德国ebm大风量轴流风机，排风量可达5700m3/h。这些因素为设计师提供了非常广阔的选择空间。

对流散热因其更容易选择部件（风扇、散热器）且成本不太高而被广泛使用。逆变器的容量可以从几十到几百kVA，甚至更高（采用机组并联）。供收养。

(1) 逆变器内置风扇散热

内置风扇冷却一般用于小容量通用变频器。通过正确安装逆变器，可以最大限度地发挥逆变器内置风扇的散热能力。内置风扇消除逆变器内部的热量。最终的散热是通过变频器所在箱体的铁板进行的。仅利用变频器内置风扇的散热方式适用于单独配备变频器的控制箱以及控制元件较少的控制箱。如果变频器控制箱内有多个变频器或其他散热比较大的电器元件，散热效果就不会很明显。

(2) 变频器外部风扇散热

通过在安装变频器的控制箱内增加若干具有通风对流功能的风扇，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。可以根据变频器的散热情况来计算风扇的使用能力。说一下一般的选择方法：

根据经验，我们计算出，排出1kW的功率产生的热量需要风机排风量为360m/h，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的风机与其容量的关系：

例如：变频器功率为90千瓦，则：

风机排风量（m3/h）=变频器容量5%360m/h/kW=1620m/h

然后我们根据风机的排风量来选择不同厂家的风机型号，以获得符合我们条件的风机。一般来说，风扇散热是现阶段变频器散热的主要手段。特别适用于较大的控制柜以及控制柜内的电气元件同时工作并产生热量时。适用于高度集成的集中控制柜和控制箱。而且，由于近年来技术的不断进步，散热风扇也不再像前几年那么庞大。小而强大的粉丝比比皆是。性价比也比其他冷却方式好很多。

(3)液冷

水冷是较常用的工业液体冷却方式之一。这种散热方式很少用于变频器等设备，因为在小容量变频器中使用时成本较高且体积较大。另外，由于通用变频器的容量从几kVA到近百kVA，容量并不是很大。很难达到用户可以接受的性价比。此方法仅用于特殊场合（如防爆要求）和容量特别大的逆变器。

水冷逆变器在欧洲已有近十年的历史，广泛应用于船舶、机车等大功率、有限空间的应用。与传统风冷逆变器相比，水冷逆变器更有效地解决了散热问题，从而大大缩小了大功率逆变器的体积，使其性能更加稳定。体积的减小意味着设备安装空间的节省，从而有效解决了很多特殊场合对逆变器的体积要求。例如，芬兰VACON公司的400kW水冷变频器仅为同级别风冷变频器的五分之一。

数据表明，散热器表面经电泳涂漆或阳极氧化处理黑化后，其散热量在自然冷却下可提高10~15%，在强制风冷下可提高20~30%。电泳涂漆背面耐压可达500~800V。因此，在选择散热器和制定加工工艺时，对散热器进行上述处理，将大大提高其散热能力，增强绝缘性，减少因安装不当引起的爬电距离过小、电气不足等问题。清除。不利影响。

散热效果与安装工艺密切相关。安装时应尽可能增大功率模块与散热器的接触面积，以减少热阻，提高传热效果。在功率器件与散热器之间涂上一层薄薄的导热硅脂，可降低热阻25~30%。如果需要在功率器件和散热器之间添加绝缘或垫片以方便安装，建议使用低热阻材料：薄云母、聚酯薄膜或铜块、铝块。合理安排散热器上各部件的位置。安装单个部件时，部件应位于散热器底座的中心位置。安装多个组件时，应均匀分布。紧固部件时，确保扭矩一致。器件及散热器安装后不宜进行机械加工，否则会产生应力，增加热阻。单面翅片散热器适合设备外部自然风冷，不仅有利于功率器件的通风，还可以降低机器内部的温度。采用自然风冷时，散热器截面应平行于水平面方向；采用强制风冷时，气流方向应与散热器翅片方向平行。

(4)外部环境散热

随着科学技术的进步，气水冷却系统逐渐应用于钢铁、水泥、石化等领域。风水冷却系统是专门用于大功率变频器散热的设备。风水冷却是指变频器出来的热空气经过风道，直接经过风水冷却装置进行热交换。冷却水直接带走变频器损失的热量；冷却后的冷空气被排回房间。风水冷却装置内冷水温度低于33，保证热风通过散热器，将逆变器机房环境温度控制在40以下，满足环境运行要求并确保室内逆变器处于良好状态。操作环境。风水冷却系统具有能耗低、冷却能力高、风量大的特点。

无论采用哪种冷却方式，都应根据逆变器的容量确定其功耗，并选择合适的风扇和散热器，以达到优异的性价比。同时，还应充分考虑逆变器使用的环境因素。到达。对于环境比较恶劣的场合（高温、高湿、煤矿、油田、海上平台），必须采取相应措施，保证逆变器正常可靠运行。从逆变器本身来说，应尽可能避免不利因素的影响。例如，可以密封灰尘和沙子的影响。只有散热器风道与外界空气接触，避免对逆变器内部造成影响；对于盐雾、受潮等情况可对逆变器各部位进行绝缘喷涂处理；现场使用的逆变器必须防雨、防晒、防雾、防尘；对于高温高湿的环境，可以增加空调等设备进行降温除湿，为变频器提供良好的环境，保证变频器的可靠运行。事实证明，处理好变频器的散热不仅需要设计者从变频器本身做起，还需要用户正确使用，严格按照说明书安装，并有足够的通风空间。合适的使用环境，并尽可能进行定期维护，特别是煤炭等粉尘较多的行业，定期清除使用环境和变频器风道上的灰尘，使变频器的散热系统能够发挥作用正常情况下，变频器只有温升在允许值以内，变频器才能可靠运行，给企业带来更大的经济效益和社会效益。