大功率高壓變頻器散熱解析
變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展,高壓大功率變頻調(diào)速裝置不斷地成熟起來(lái),原來(lái)一直難于解決的高壓?jiǎn)栴},近年來(lái)通過(guò)器件串聯(lián)或單元串聯(lián)得到了很好的解決。
變頻器在高溫下的注意事項(xiàng):
1、認(rèn)真監(jiān)視并記錄變頻器人機(jī)界面上的各顯示參數(shù),發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)即時(shí)反映;
2、認(rèn)真監(jiān)視并記錄變頻室的環(huán)境溫度,環(huán)境溫度應(yīng)在-5℃~40℃之間。移相變壓器的溫升不能超過(guò)130℃;
3、夏季溫度較高時(shí),應(yīng)加強(qiáng)變頻器安裝場(chǎng)地的通風(fēng)散熱。確保周?chē)諝庵胁缓羞^(guò)量的塵埃,酸、鹽、腐蝕性及爆炸性氣體;
4、夏季是多雨季節(jié),應(yīng)防止雨水進(jìn)入變頻器內(nèi)部(例如雨水順風(fēng)道出風(fēng)口進(jìn)入);
5、變頻器柜門(mén)上的過(guò)濾網(wǎng)通常每周應(yīng)清掃一次;如工作環(huán)境灰塵較多,清掃間隔還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況縮短;
6、變頻器正常運(yùn)行中,一張標(biāo)準(zhǔn)厚度的A4紙應(yīng)能牢固的吸附在柜門(mén)進(jìn)風(fēng)口過(guò)濾網(wǎng)上;
7、變頻室必須保持干凈整潔,應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況隨時(shí)清掃;
8、變頻室的通風(fēng)、照明必須良好,通風(fēng)散熱設(shè)備(空調(diào)、通風(fēng)扇等)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
在大型電力電子設(shè)備中,隨著溫度的增加,失效率也增加,因此大功率高壓變頻器功率器件的熱設(shè)計(jì)直接關(guān)系到設(shè)備的可靠性與穩(wěn)定性。大功率高壓變頻器往往要求有極高的可靠性,影響電力電子設(shè)備失效的主要形式是熱失效,據(jù)統(tǒng)計(jì),50%以上的電子熱失效主要是由于溫度超過(guò)額定值引起的。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上來(lái)說(shuō)散熱技術(shù)是保證設(shè)備正常運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于安邦信公司高壓變頻器設(shè)備功率大,一般為MW級(jí),在正常工作時(shí),會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。為保證設(shè)備的正常工作,把大量的熱量散發(fā)出去,優(yōu)化散熱與通風(fēng)方案,進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)與計(jì)算,實(shí)現(xiàn)設(shè)備的高效散熱,對(duì)于提高設(shè)備的可靠性是十分必要的。
散熱計(jì)算:
高壓變頻器在正常工作時(shí),熱量來(lái)源主要是隔離變壓器、電抗器、功率單元、控制系統(tǒng)等,其中作為主電路電子開(kāi)關(guān)的功率器件的散熱、功率單元的散熱設(shè)計(jì)及功率柜的散熱與通風(fēng)設(shè)計(jì)最為重要。對(duì)IGBT或IGCT功率器件來(lái)說(shuō),其pn結(jié)不得超過(guò)125℃,封裝外殼為85℃。有研究表明,元器件溫度波動(dòng)超過(guò)±20℃,其失效率會(huì)增大8倍。
散熱設(shè)計(jì)注意事項(xiàng):
(1)選用耐熱性和熱穩(wěn)定性好的元器件和材料,以提高其允許的工作溫度;
(2)減小設(shè)備(器件)內(nèi)部的發(fā)熱量。為此,應(yīng)多選用微功耗器件,如低耗損型IGBT,并在電路設(shè)計(jì)中盡量減少發(fā)熱元器件的數(shù)量,同時(shí)要優(yōu)化器件的開(kāi)關(guān)頻率以減少發(fā)熱量;
(3)采用適當(dāng)?shù)纳岱绞脚c用適當(dāng)?shù)睦鋮s方法,降低環(huán)境溫度,加快散熱速度。
排風(fēng)量計(jì)算:
在最惡劣環(huán)境溫度情況下,計(jì)算散熱器最高溫度達(dá)到需求時(shí)候的最小風(fēng)速。根據(jù)風(fēng)速按照冗余放大率來(lái)確定排風(fēng)量。排風(fēng)量的計(jì)算公式為:Qf=Q/(Cpρ△T)
式中:
Qf:強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)所須提供的風(fēng)量。
Q:被冷卻設(shè)備的總熱功耗。
Cp=1005J/(kg℃):空氣比熱,J/(kg℃)。
ρ=1.11(m3/kg):空氣密度。
△T=10℃:進(jìn)、出口處空氣的溫差。
根據(jù)風(fēng)量和風(fēng)壓確定風(fēng)機(jī)型號(hào),使得風(fēng)機(jī)工作在效率最高點(diǎn)處,即增加了風(fēng)機(jī)壽命又提高了設(shè)備的通風(fēng)效率。
風(fēng)道設(shè):
串聯(lián)風(fēng)道是由每個(gè)功率模塊的散熱器上下相對(duì),形成上下對(duì)應(yīng)的風(fēng)道,其特點(diǎn)由上下多個(gè)功率單元形成串聯(lián)的通路,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,風(fēng)道垂直使得風(fēng)阻小;但由于空氣從下到上存在依次加熱的問(wèn)題,造成上面的功率單元環(huán)境溫差小,散熱效果差。
并聯(lián)風(fēng)道中從每個(gè)功率單元的前面進(jìn)風(fēng),對(duì)應(yīng)的進(jìn)風(fēng)口并聯(lián)排列,在后面的風(fēng)倉(cāng)中匯總后由風(fēng)機(jī)抽出,同時(shí)整個(gè)功率柜一般采用冗余的方法,有多個(gè)風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行,整體散熱效果好,并提高了設(shè)備的可靠性。但柜體后面要形成風(fēng)倉(cāng),增大了設(shè)備的體積,同時(shí)由于各個(gè)功率單元后端到風(fēng)機(jī)的距離不同,使得每個(gè)功率單元的風(fēng)流量不一致,是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。
根據(jù)串聯(lián)風(fēng)道和并聯(lián)風(fēng)道的特點(diǎn),安邦信公司高壓變頻器選擇并聯(lián)風(fēng)道設(shè)計(jì),并形成了獨(dú)有的結(jié)構(gòu)專利技術(shù)。
仿真分析:
利用仿真軟件可以在以上各種不同結(jié)構(gòu)及層次上對(duì)系統(tǒng)散熱、溫度場(chǎng)及內(nèi)部流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行高效、準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便的定量分析。根據(jù)仿真結(jié)果,對(duì)散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估、修改,然后再次仿真,直到得到滿足要求的結(jié)果。通過(guò)這種方式,我們對(duì)熱失效進(jìn)行了很好控制,從而大大提高了設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。
結(jié)束:
變頻器是一種使電動(dòng)機(jī)變速運(yùn)行進(jìn)而達(dá)到節(jié)能效果的設(shè)備,習(xí)慣上把額定電壓在3kV到10kV之間的電動(dòng)機(jī)稱為高壓電機(jī),因此一般把針對(duì)3kV至10kV高電壓環(huán)境下運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)而開(kāi)發(fā)的變頻器稱為高壓變頻器。與低壓變頻器相比,高壓變頻器適用于大功率風(fēng)電、水泵的變頻調(diào)速,可以收到顯著的節(jié)能效果。
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