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变频器散热器
添加时间: 2016-1-29 点击次数: 612 次 [点此返回]

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] 。

该散热方式主要应用于没有特殊要求及一般功率等级的系统。由于具有结构简单、价格低廉、安全可靠等优点,而成为最常用的散热方法之一;其缺点则是:不能将系统温度降至室温以下;且因风扇的转动而存在噪音大且同时风扇的寿命有时间限制。采用此种散热方式要求通风条件良好,对于置于密闭的壳体内的变频器不适用。

2.3 水冷散热

尽管风冷散热器成本低廉,但受到散热能力的限制,随着热流密度不断提高,具有更大散热能力的水冷装置将得到越来越广泛的应用。根据文献[4],气体强制对流换热系数的大致范围为20~100w/(m2·℃),水强制对流的换热系数高达15000w/(m2·℃),是气体强制对流换热系数的百倍以上。

目前,很多变频器装置都是用水冷装置作为散热系统。水冷散热系统是一个密闭的液体循环装置,如图2所示,通过泵产生的动力,推动密闭系统中的液体循环,将吸热盒吸收的芯片产生的热量,通过液体的循环,带到面积更大的散热装置,进行散热。冷却后的液体再次回流到吸热设备,如此循环往复。另外还有一种水冷散热方式是通过不断补充新的冷却水进行装置的冷却,将吸收了热量的水直接排出装置,但是这种水冷方式耗水量大只适用于一些特殊的场合,所以一般用前一种水冷方式。因水冷系统没有风扇,所以不会产生振动,噪声也相对较小。其缺点是价格比较昂贵,而且水在密闭状态下容易发生结垢、变质,在使用过程中还要完全杜绝漏水、断水等情况的发生。同时该系统在使用过程中由于水的流动会造成电子元件周围电磁场的一些变化,可能会影响到系统的稳定性。

2.4 热管散热

热管是一种传热性极好的人工构件,它利用“相变”传热的原理,与一般金属材料实体材料和天然传热方式完全不同。热管的结构是灵活多样的,相互之间差别很大,典型的热管如图3所示,由管壳、吸液芯、工作介质等组成。将管内气体抽出部分,变为定值的负压后充以适量的工作液体,使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段(加热段),另一端为冷凝段(冷却段),两段中间布置绝热段。液体介质从蒸发段吸收热源产生的热量汽化后,在微小的压差作用下,迅速流向冷凝段,通过向冷源放出潜热而凝结成液体,凝结液再在吸液芯毛细抽吸力的作用下从冷凝段流回蒸发段。如此循环往复,不断将热量自蒸发段传递向冷凝段。热管最大的优点是能在温差很小的情况下传递大量热量,其相对导热率是铜的几百倍,被称为“近超导热体”[5]。

 

图2水冷散热系统

       3 结束语

对比分析了变频器的空气自然散热、强制风冷散热、水冷散热和热管散热的原理和特点,工程设计人员可以根据系统特点和实际需要进行系统散热方式的选择,不用局限于一种散热方式,在特殊情况下可以选用两种或者更多种散热方式同时使用。

 

图3热管散热系统

1.4市场前景分析

    通过过市场调查发现,许多大型的煤矿,选煤厂都广泛运用到变频器散热器,目前的市场需求这种隔爆滤波型变频器散热器,虽然国内的大部分厂家生产的做的变频器散热器已经非常不错,但是仍然存在许多可以改进的地方,现在有的变频器散热器的散热问题都在一定程度上制约着变频器散热器的发展。

    本次毕业设计的目的在于设计满足要求的散热器。