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变频器散热问题的处理
发布者:admin 添加时间:2018/1/22 浏览次数:484
1 引言
变频器作为一种变流器在运行过程中要产生一定的功耗。由于使用器件不同,控制方式不同,不同品牌,不同规格的变频器所产生的功耗也不尽相同。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。可见如何处理变频器的散热,降低温升,提高器件的可靠性,从而延长设备的使用寿命,更好的服务于社会是多么重要。
 
2 散热方式的分类
 
 变频器的散热分为以下几种:自然散热,强迫风冷,水冷。
 
 2.1自然散热
   
对于小容量的变频器一般选用自然散热方式,其使用环境应通风良好,无易附着粉尘及飘浮物。此类变频器的拖动对象多为家用空调、数控机床之类,功率很小,使用环境比较优良。 另外一种使用自然散热方式的变频器容量并不一定小,那就是防爆变频器。对于此类变频器小容量可以选用一般类型的散热器即可,要求散热面积在允许的范围内尽可能的大一些,散热肋片间距小一些,尽可能的增加热辐射面积。对于大容量的防爆变频器,如使用自然散热方式建议使用热管散热器。热管散热器是近年来新兴的一种散热器,它是热管技术与散热器技术结合的一种产品,它的散热效率极高,可以将防爆变频器的容量做的比较大,可达几百kVA。这种散热器相对普通散热器,所不同之处就是体积相对大,成本高。这种散热方式与水冷方式(后面将论述)相比较还是有优势的:水冷要用水冷器件,水冷散热器以及必不可少的水循环系统等等,其成本比使用热管散热器散热高。业界反映热管散热器性能好,值得推广。
 
 2.2 强迫风冷
   
强迫风冷是普遍采用的一种散热方式。随着半导体器件的发展,半导体器件散热器也得到了飞速的发展,趋向标准化,系列化,通用化;而新产品则向低热阻,多功能,体积小,重量轻,适用于自动化生产与安装等方向发展。世界几大散热器生产商,产品多达上千个系列,并全部经过测试,提供了使用功率与散热器热阻曲线,为用户准确选用提供了方便。同时散热风机的发展也相当快,呈现出体积小,长受命,低噪声,低功耗,大风量,高防护的特点。如德国的EBM风扇,但是价格很贵,国产风扇在技术及以及生产工艺上也相当成熟,如深圳市旺晟达科技有限公司生产的CPU风扇体积只有25mm×25mm×10mm;长寿命风机可达200000h,防护等级可达IPX5; 大风量轴流风机,排风量高达5700m3/h。这些因素为设计者提供了非常广阔的选择空间。强迫风冷正是由于使用的器件(风机、散热器)选择比较容易,成本不是太高, 变频器的容量可以做到从几十到几百kVA,甚至更高(采取单元并联方式)才被广为采用。
 
 2.3 水冷
 
  水冷是工业冷却较常用的一种方式。针对变频器这种设备选用该方式散热的很少,因为它的成本高,体积大,再由于通用变频器的容量在几kVA到近百kVA,容量不是很大,很难将性价比做到让用户接受的程度,只有在特殊场合(如需要防爆)以及容量特别大的变频器才采用这种方式。
 
 2.4 小结
 
  无论采用哪种散热方式,都应根据变频器的容量,确定它的功耗,选择适当的风机,以及适当的散热器,达到优良的性价比,同时也应将变频器所使用的环境因素充分考虑到。针对环 境比较恶劣(高温,高湿,煤矿,油田,海上平台)的情况,必须采取相应的措施,确保变频器正常可靠的运行。从变频器本身,应尽可能的避免不利因素的影响,例如针对灰尘、风沙的影响可以进行密封处理,只有散热器风道与外界空气接触,避免了对变频器内部的影响;针对盐雾,潮湿等可以对变频器各部件进行绝缘喷涂处理;野外作业用变频器要加防护,做到防雨,防晒,防雾,防尘;对于高温高湿环境可以增加空调等设备进行降温除湿,给变频器一个良好的环境,确保变频器可靠运行。
  3 散热器散热效果及选用原则的讨论
 
 资料表明,散热器表面经电泳涂漆发黑或阳极氧化发黑后,其散热量在自然冷却情况下可提高10~15%,在强迫风冷情况下可提高20~30%,电泳涂漆后表面耐压可达500V~800V。所以在选择散热器及制定加工工艺时,对散热器进行上述工艺处理会大大提高本身的散热能力,还可以增强绝缘性,降低了因安装不当造成的爬电距离过小,电气间隙不够等带来的不利影响。
 
 散热效果优劣与安装工艺有密切关系,安装时尽量增大功率模块与散热器的接触面积降低热阻,提高传热效果。在功率器件与散热器之间涂一层薄薄的导热硅脂可以降低热阻25~30%。如需要在功率器件与散热器之间加绝缘或加垫块来方便安装,建议使用低热阻材料:薄云母,聚酯薄膜或紫铜块,铝块。合理安排器件在散热器上的位置,单件安装时应使器件位于散热器基面中心位置,多件安装时应均匀分布。紧固器件时需保证扭力一致。安装完毕后不宜对器件及散热器再进行机械加工,否则会产生应力,增加热阻。单面肋片式散热器,适于在设备外部作自然风冷,即利于功率器件的通风又可降低机内温度。自然风冷时,应使散热器的断面平行于水平面的方向;强迫风冷时,应使气流的流向平行于散热器的肋片方向。 
根据半导体器件的功耗选择散热器,可参考式(1):  
Q = (Tj - Ta)÷(Rjc + Rcs + Rsa) (1)  
式(1)中: Q—耗散功率W 
Tj—结点(P-N)温度℃
Ta—环境空气温度℃ 
Rjc—由结点至管壳热阻℃/W 
Rcs—由管壳至散热器热阻℃/W 
Rsa—由散热器表面至环境空气热阻℃/W 
 
  
在多数情况下,除由散热器表面至空气最大热阻Rsa以外,所有上述参数均为已知或者可以得到,因此该参数即为选择散热器的基础。式(1)为一基本公式,可适用于自冷或强冷。在用于强迫风冷式散热器选择的资料中多介绍Rsa; 但对于自冷式ΔTsa(散热器与空气温差)则更为常见。由式(1)可得到如下简化结果: 
 
ΔTsa = (Tj-Ta)-Q(Rjc+Rcs) (2) 
  
该式已不出现Rsa与Q乘积,而是允许得到最大值ΔTsa,因而得到能与常见自冷式图形资料进行直接比较的参数。
 
  利用式(1)通过下面的例子来说明如何为一只半导体器件选择散热器。某一只半导体器件其管芯结温在运行时不得超过125℃(TJ),在环境温度为50℃(TA)时的功耗为10W(Q),制造商提供的该器件的Rjc为1.5℃/W,Rcs可按0.09℃/W计算,通过式(1)得到Rsa的表达式: 字串6 
 
Rsa=(Tj-Ta)÷Q-(Rjc+Rcs) (3) 
 
将已知数代入式(3) Rsa=(125-50)÷10-(1.5+0.09) 
 
Rsa=5.9℃/W 
 
  
这就是可用的Rsa最大值,如散热器可提供Rsa较小值即可接受,因为最终的管芯结温将小于125℃规定值。利用Rsa值可以选择各种散热器并了解相应的特性。
 
 4 选择风机的一点经验 
  
根据变频器功耗可选择适当的风机为其散热。根据经验每排出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JD-BP32-90J的变频器选择风机,该变频器容量为90kW 
 
风机的排风量(m3/h)=90kW×5%×360m3/h/kW 
 
风机的排风量=1620m3/h 
  
根据此排风量选择风机,通过资料我们选用深圳市旺晟达科技有限公司的风机,型号为SF8025,转速4000转,其排风量为1730m3/h,这个值大于我们的计算值, 可以选用,实践证明也是可行的。
 
 5 结束语
  
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, 尤其是水泥,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。