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变频器散热问题的处理

文章出处:深圳市旺晟达科技有限公司 人气:-发表时间:2015-04-01 11:32:00

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。

 

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)  

(1): Q—耗散功率

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 = (TjTa)Q(RjcRcs) (2) 

  

该式已不出现RsaQ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Rjc1.5/WRcs可按0.09/W计算,通过式(1)得到Rsa的表达式字串

 

Rsa=(TjTa)÷Q(RjcRcs) (3) 

 

将已知数代入式(3) Rsa=(125-50)÷10-(1.50.09) 

 

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风机,型号为SF8025,转速4000,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。

 

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