變頻柜
變頻器為商業(yè)和工業(yè)電機(jī)提供動(dòng)力和控制，必須根據(jù)其設(shè)計(jì)和應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行熱保護(hù)。變頻器的主要優(yōu)點(diǎn)是靈活的控制、平穩(wěn)的啟動(dòng)和停機(jī)性能，以及在可變負(fù)載下運(yùn)行的離心風(fēng)機(jī)和泵所帶來(lái)的顯著節(jié)能。
大多數(shù)大功率變頻器及其附屬電子配件都被集成到電氣機(jī)柜中，如圖1 所示。變頻器不但提高了系統(tǒng)效率，變頻器本身的效率也非常高，損失只有2% 至4%。然而，由于大功率變頻器中電能轉(zhuǎn)換很大，即使效率損失較低，也會(huì)導(dǎo)致數(shù)千瓦到數(shù)十千瓦廢熱的產(chǎn)生，必須設(shè)法將這些熱量耗散掉。
圖 1: 圖中所示是一個(gè)中壓變頻柜。
在開(kāi)放式風(fēng)冷機(jī)柜中，要想排出這些熱量很簡(jiǎn)單。然而，在惡劣環(huán)境中，無(wú)法使用過(guò)濾風(fēng)扇冷卻或通過(guò)直接的空氣流來(lái)冷卻，外殼的熱量管理就成為設(shè)計(jì)流程的重要組成部分。研究策略，對(duì)于在惡劣環(huán)境中高效、被動(dòng)且經(jīng)濟(jì)地冷卻中、大功率密封外殼的變頻器至關(guān)重要。
1、流通或密封
開(kāi)放式氣流柜可讓環(huán)境空氣流通機(jī)柜，直接有效地冷卻大功率模塊。不過(guò)，這種高效的冷卻，可能會(huì)導(dǎo)致外部污染物進(jìn)入外殼，通常使用風(fēng)扇過(guò)濾系統(tǒng)，來(lái)過(guò)濾流入機(jī)柜的空氣，從而最大限度地減少這些污染物。過(guò)濾器有助于減少灰塵和碎片，但它們需要定期維護(hù)來(lái)清潔或更換過(guò)濾器。
密封外殼不允許外部空氣進(jìn)入機(jī)柜，而是用機(jī)柜內(nèi)的空氣來(lái)冷卻電子產(chǎn)品，并通過(guò)熱交換器將熱量導(dǎo)出到環(huán)境空氣中。密封外殼可防止污垢、灰塵、濕度、鹽霧和其它空氣中的腐蝕性物質(zhì)進(jìn)入機(jī)柜，并影響電子元件的使用壽命。
這兩種系統(tǒng)都適用于低功耗機(jī)柜。然而，對(duì)于許多大功率變頻器機(jī)柜來(lái)說(shuō)，功耗水平高于空氣冷卻所能達(dá)到的水平。低功率部件一般直接通過(guò)氣流進(jìn)行冷卻，而較高功率的部件則通過(guò)設(shè)施冷卻水、蒸汽壓縮系統(tǒng)或泵送液體系統(tǒng)直接或間接冷卻。
在這些系統(tǒng)中，大功率元件( 絕緣柵極雙極晶體管、集成柵極換向晶閘管、硅控制整流器)，通常連接到流體冷卻冷板上。然后，流體使用蒸汽壓縮系統(tǒng)或通過(guò)液氣熱交換器，將熱量排放到環(huán)境空氣中。無(wú)論哪種情況，所需的環(huán)境空氣熱交換器都可以布置在設(shè)施內(nèi)外。這些系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是將流體引入機(jī)柜和冷卻液管線進(jìn)出機(jī)柜所帶來(lái)的挑戰(zhàn)。
2、環(huán)路熱虹吸管
環(huán)路熱虹吸管（LTS）是重力驅(qū)動(dòng)的兩相冷卻裝置。它們的工作方式與熱管相似，工作流體只要在一個(gè)封閉的循環(huán)中蒸發(fā)并冷凝，就可在給定的距離內(nèi)傳遞熱量。相對(duì)熱管，環(huán)路熱虹吸管的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠使用導(dǎo)電工作液，高效、遠(yuǎn)距離傳輸大功率。與主動(dòng)式液體冷卻液、蒸汽壓縮或泵送兩相冷卻系統(tǒng)相比，環(huán)路熱虹吸管沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，可靠性更高。環(huán)路熱虹吸管非常適合將大功率余熱從機(jī)柜中的電力電子設(shè)備傳遞到機(jī)柜外部環(huán)境中。
在機(jī)柜層面，環(huán)路熱虹吸管冷卻系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是顯著的。在工廠車(chē)間內(nèi)就可以將機(jī)柜、電子設(shè)備和冷卻系統(tǒng)安裝到密封、獨(dú)立的外殼中。每個(gè)機(jī)柜都是獨(dú)立的，可以獨(dú)立交付，在最終客戶(hù)那里也易于安裝。最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)形式就是位于機(jī)柜頂部的風(fēng)冷環(huán)路熱虹吸管冷凝器。這樣，機(jī)柜保持獨(dú)立，在最終安裝時(shí)只需要電氣連接。
環(huán)路熱虹吸管冷凝器還可以連接到設(shè)施或冷卻水系統(tǒng)。可以將余熱從機(jī)柜和多個(gè)機(jī)柜中進(jìn)一步消散，從而可以在同一個(gè)環(huán)路上工作。使用環(huán)路熱虹吸管和冷水冷凝器時(shí)，管道和水的連接都在機(jī)柜外部，這樣就可將冷卻液和電子設(shè)備分開(kāi)。
3、密封外殼熱交換器
環(huán)路熱虹吸管是直接從高發(fā)熱部件中排除大熱量的絕佳方法。但二次部件的余熱負(fù)荷仍需冷卻。這些輔助組件，包括分散在機(jī)柜中的許多低功耗設(shè)備，這樣通過(guò)直接接觸來(lái)冷卻就難易實(shí)現(xiàn)。對(duì)這些低功耗、熱流較低的元件，直接空氣冷卻是最實(shí)用的方法。低功耗組件可以通過(guò)空氣- 空氣熱交換器輕松冷卻，同時(shí)保持外殼密封的完整性。
在環(huán)路熱虹吸管和密封式換熱器組合中，高功率絕緣柵極雙極晶體管（IGBT）或集成柵極換向晶閘管（IGCT）安裝在環(huán)路熱虹吸管冷板上，它的10 千瓦負(fù)荷加上熱負(fù)荷，通過(guò)環(huán)路熱虹吸管耗散到外部機(jī)柜空氣中 ( 見(jiàn)圖2)。所有的二次電子部件，都是通過(guò)密封的氣-氣熱交換器冷卻的，熱交換器可以導(dǎo)出1 千瓦左右的廢熱。
環(huán)路熱虹吸管和密封的空氣- 空氣熱交換器保持原來(lái)的NEMA 機(jī)柜等級(jí)。二者的組合使大功率機(jī)柜能夠維持密封性能，不受外部氣流的影響，并且不會(huì)有冷卻液在機(jī)柜內(nèi)的流動(dòng)。
環(huán)路熱虹吸管和密封外殼冷卻器，為電力電子冷卻應(yīng)用提供了諸多優(yōu)點(diǎn)。環(huán)路熱虹吸管利用非常適合中、高壓應(yīng)用的導(dǎo)電工作液，通過(guò)被動(dòng)方式來(lái)冷卻高功率電子元件的大熱量。密封的外殼冷卻器，可以排出電力電子柜中的低功耗、分布式組件所產(chǎn)生的熱量，同時(shí)防止外部空氣中的污染物與這些組件相互作用。兩種冷卻解決方案的組合，可在惡劣工作環(huán)境所需的密封外殼中可靠地冷卻大功率電機(jī)控制器。
哪些類(lèi)型的設(shè)備上要用較大功率的變頻器？
大小是相對(duì)而言的，電機(jī)功率大，變頻器功率就要求大。如果一定要說(shuō)大，我相信高鐵這些場(chǎng)所使用的變頻器的功率是比較大的，畢竟載重要求擺在那個(gè)地方了，對(duì)比之下，一般工廠用的變頻器功率都沒(méi)有那么大的。
變頻器的通用散熱方法
從目前變頻器的構(gòu)造分析，散熱一般可分為以下三種：自然散熱、對(duì)流散熱、液冷散熱和外部環(huán)境散熱。
（一）自然散熱
對(duì)于小容量的變頻器一般選用自然散熱方式，其使用環(huán)境應(yīng)通風(fēng)良好，無(wú)易附著粉塵及飄浮物。此類(lèi)變頻器的拖動(dòng)對(duì)象多為家用空調(diào)、數(shù)控機(jī)床之類(lèi)，功率很小，使用環(huán)境比較優(yōu)良。
另外一種使用自然散熱方式的變頻器容量并不一定小，那就是防爆變頻器。對(duì)于此類(lèi)變頻器小容量可以選用一般類(lèi)型的散熱器即可，要求散熱面積在允許的范圍內(nèi)盡可能的大一些，散熱肋片間距小一些，盡可能的增加熱輻射面積。對(duì)于大容量的防爆變頻器，如使用自然散熱方式建議使用熱管散熱器。熱管散熱器是近年來(lái)新興的一種散熱器，它是熱管技術(shù)與散熱器技術(shù)結(jié)合的一種產(chǎn)品，它的散熱效率極高，可以將防爆變頻器的容量做的比較大，可達(dá)幾百kVA。這種散熱器相對(duì)普通散熱器，所不同之處就是體積相對(duì)大，成本高。這種散熱方式與水冷散熱相比較還是有優(yōu)勢(shì)的：水冷要用水冷器件，水冷散熱器以及必不可少的水循環(huán)系統(tǒng)等等，其成本比使用熱管散熱器散熱高。業(yè)界反映熱管散熱器性能好，值得推廣。
自然散熱的另外一種方式就是“穿墻式”自然散熱，這種散熱方式最多減少80％的熱量，其特點(diǎn)是變頻器的主體與散熱片通過(guò)電控箱完全隔離，大大提高了變頻器元器件的散熱效果。這種散熱方式最大的好處就是可以做到定時(shí)清理散熱器，且能保證電控箱的防護(hù)等級(jí)做得更高。象常見(jiàn)的棉紡企業(yè)由于棉絮過(guò)多，經(jīng)常容易堵塞變頻器的通風(fēng)道，導(dǎo)致變頻器的過(guò)熱故障，用穿墻式自然散熱就能很好得解決這一問(wèn)題。
（二）對(duì)流散熱
對(duì)流散熱是普遍采用的一種散熱方式，如圖2所示。隨著半導(dǎo)體器件的發(fā)展，半導(dǎo)體器件散熱器也得到了飛速的發(fā)展，趨向標(biāo)準(zhǔn)化，系列化，通用化；而新產(chǎn)品則向低熱阻，多功能，體積小，重量輕，適用于自動(dòng)化生產(chǎn)與安裝等方向發(fā)展。世界幾大散熱器生產(chǎn)商，產(chǎn)品多達(dá)上千個(gè)系列，并全部經(jīng)過(guò)測(cè)試，提供了使用功率與散熱器熱阻曲線，為用戶(hù)準(zhǔn)確選用提供了方便。同時(shí)散熱風(fēng)機(jī)的發(fā)展也相當(dāng)快，呈現(xiàn)出體積小，長(zhǎng)受命，低噪聲，低功耗，大風(fēng)量，高防護(hù)的特點(diǎn)。如常用的小功率變頻器散熱風(fēng)機(jī)只有25mm×25mm×10mm；日本SANYO長(zhǎng)壽命風(fēng)機(jī)可達(dá)200000h，防護(hù)等級(jí)可達(dá)IPX5；更有德國(guó)ebm大風(fēng)量軸流風(fēng)機(jī)，排風(fēng)量高達(dá)5700m3/h。這些因素為設(shè)計(jì)者提供了非常廣闊的選擇空間。
對(duì)流散熱正是由于使用的器件(風(fēng)機(jī)、散熱器)選擇比較容易，成本不是太高,變頻器的容量可以做到從幾十到幾百kVA，甚至更高(采取單元并聯(lián)方式)才被廣為采用。
（1）變頻器內(nèi)裝風(fēng)扇散熱
內(nèi)裝風(fēng)扇散熱一般對(duì)于小容量的通用變頻器使用。通過(guò)正確的安裝變頻器，可以使變頻器的內(nèi)裝風(fēng)扇的散熱能力達(dá)到最大化。該內(nèi)裝風(fēng)扇可以將變頻器內(nèi)部的熱量帶走。通過(guò)變頻器所在的箱體的鐵板，進(jìn)行最終散熱。只通過(guò)變頻器內(nèi)裝風(fēng)扇的散熱辦法適用與裝有單獨(dú)的變頻器的控制箱，以及控制元件比較少的控制箱。如果變頻器控制箱中，有若干臺(tái)變頻器，或者其他散熱量比較大的電氣元件，則散熱的效果不十分明顯。
（2）變頻器外裝風(fēng)機(jī)散熱
通過(guò)在安裝變頻器的控制箱內(nèi)，增設(shè)若干臺(tái)具有換氣對(duì)流功能的風(fēng)機(jī)，則可以大大提高變頻器的散熱效果，降低變頻器工作環(huán)境的溫度。使用風(fēng)機(jī)的能力，可以通過(guò)變頻器的散熱量進(jìn)行計(jì)算。下面說(shuō)一說(shuō)一般的選擇方法：
我們根據(jù)經(jīng)驗(yàn)算出每排出1kW功耗產(chǎn)生的熱量,需要風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量為360m3/h，而變頻器的功耗為其容量的4～5%，這里我們按5%計(jì)算，可以得到變頻器適配風(fēng)機(jī)與其容量的關(guān)系：
例如：變頻器功率為90千瓦，則：
風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量(m3/h)=變頻器容量×5%×360m3/h/kW=1620m3/h
然后再通過(guò)風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量選擇不同廠家風(fēng)機(jī)的型號(hào)獲得滿(mǎn)足我們條件的風(fēng)機(jī)。一般說(shuō)來(lái)，風(fēng)機(jī)散熱是現(xiàn)階段變頻器散熱的主要手段，尤其適用在比較大的控制柜中，以及控制柜中擁有的電氣部件同時(shí)工作、同時(shí)發(fā)熱的情況下。適用于高度集成的集中控制柜、控制箱。而且近幾年由于科技的不斷進(jìn)步，散熱風(fēng)機(jī)已經(jīng)不像前幾年那樣的龐然大物，小巧而又強(qiáng)勁的風(fēng)機(jī)比比皆是。性?xún)r(jià)比上也比其他散熱方式好的多。
（三）液冷散熱
水冷是工業(yè)液冷方式中較常用的一種方式，如圖3所示。針對(duì)變頻器這種設(shè)備選用該方式散熱的很少，因?yàn)樗某杀靖撸迷谛∪萘孔冾l器時(shí)體積大，再由于通用變頻器的容量在幾kVA到近百kVA，容量不是很大，很難將性?xún)r(jià)比做到讓用戶(hù)接受的程度，只有在特殊場(chǎng)合（如需要防爆）以及容量特別大的變頻器才采用這種方式。
水冷變頻器在歐洲已有近十年的歷史，廣泛應(yīng)用于輪船、機(jī)車(chē)等高功率且空間有限的場(chǎng)合。相對(duì)于傳統(tǒng)的風(fēng)冷變頻器，水冷變頻器更有效地解決了散熱問(wèn)題，從而使高功率變頻器的體積大大縮小，性能更加穩(wěn)定。體積的減小意味著節(jié)省了設(shè)備安裝空間，從而有效地解決了很多特殊場(chǎng)合對(duì)變頻器體積的要求。如芬蘭VACON公司的400kW水冷變頻器，其體積僅為同等級(jí)的風(fēng)冷變頻器的五分之一。
資料表明，散熱器表面經(jīng)電泳涂漆發(fā)黑或陽(yáng)極氧化發(fā)黑后，其散熱量在自然冷卻情況下可提高10~15%，在強(qiáng)迫風(fēng)冷情況下可提高20~30%，電泳涂漆后表面耐壓可達(dá)500~800V。所以在選擇散熱器及制定加工工藝時(shí)，對(duì)散熱器進(jìn)行上述工藝處理會(huì)大大提高本身的散熱能力，還可以增強(qiáng)絕緣性，降低了因安裝不當(dāng)造成的爬電距離過(guò)小，電氣間隙不夠等帶來(lái)的不利影響。
散熱效果優(yōu)劣與安裝工藝有密切關(guān)系，安裝時(shí)應(yīng)盡量增大功率模塊與散熱器的接觸面積降低熱阻，提高傳熱效果。在功率器件與散熱器之間涂一層薄薄的導(dǎo)熱硅脂可以降低熱阻25~30%。如需要在功率器件與散熱器之間加絕緣或加墊塊來(lái)方便安裝，建議使用低熱阻材料：薄云母，聚酯薄膜或紫銅塊，鋁塊。合理安排器件在散熱器上的位置，單件安裝時(shí)應(yīng)使器件位于散熱器基面中心位置，多件安裝時(shí)應(yīng)均勻分布。緊固器件時(shí)需保證扭力一致。安裝完畢后不宜對(duì)器件及散熱器再進(jìn)行機(jī)械加工，否則會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，增加熱阻。單面肋片式散熱器，適于在設(shè)備外部作自然風(fēng)冷，即利于功率器件的通風(fēng)又可降低機(jī)內(nèi)溫度。自然風(fēng)冷時(shí)，應(yīng)使散熱器的斷面平行于水平面的方向；強(qiáng)迫風(fēng)冷時(shí)，應(yīng)使氣流的流向平行于散熱器的肋片方向
（四）外部環(huán)境散熱
隨著科技的進(jìn)步，空調(diào)也逐漸被越來(lái)越多的應(yīng)用到控制柜，控制箱的制作當(dāng)中，并成為散熱的重要手段之一。不過(guò)針對(duì)變頻器這種設(shè)備選用該方式散熱的很少，因?yàn)樗某杀据^高，體積相對(duì)較大，再由于通用變頻器的容量在幾kVA到幾十kVA，容量不是特別大，很難將性?xún)r(jià)比做到讓用戶(hù)接受的程度，只有在特殊場(chǎng)合（如對(duì)工作環(huán)境要求的特別嚴(yán)格）以及容量特別大的變頻器才采用這種方式。而且空調(diào)中，有的還涉及到廢水的排除，所以在盤(pán)柜成套的過(guò)程中也要考慮的更加全面，增加了設(shè)計(jì)成本。、另外，還有一些其他的原因也要考慮變頻器的散熱效果，比如高海拔（>1000m）,因?yàn)榭諝饷芏鹊慕档停惨m當(dāng)增加散熱能力；還有開(kāi)關(guān)頻率，變頻器的發(fā)熱主要來(lái)自于IGBT（絕緣柵雙極型晶體管），IGBT的發(fā)熱又集中在開(kāi)和關(guān)的瞬間。因此開(kāi)關(guān)頻率高時(shí)，變頻器的發(fā)熱量也變大。
無(wú)論采用哪種散熱方式，都應(yīng)根據(jù)變頻器的容量，確定它的功耗，選擇適當(dāng)?shù)娘L(fēng)機(jī)，以及適當(dāng)?shù)纳崞鳎_(dá)到優(yōu)良的性?xún)r(jià)比，同時(shí)也應(yīng)將變頻器所使用的環(huán)境因素充分考慮到。針對(duì)環(huán)境比較惡劣(高溫，高濕，煤礦，油田，海上平臺(tái))的情況，必須采取相應(yīng)的措施，確保變頻器正常可靠的運(yùn)行。從變頻器本身，應(yīng)盡可能的避免不利因素的影響，例如針對(duì)灰塵、風(fēng)沙的影響可以進(jìn)行密封處理，只有散熱器風(fēng)道與外界空氣接觸，避免了對(duì)變頻器內(nèi)部的影響；針對(duì)鹽霧，潮濕等可以對(duì)變頻器各部件進(jìn)行絕緣噴涂處理；野外作業(yè)用變頻器要加防護(hù)，做到防雨、防曬、防霧、防塵；對(duì)于高溫高濕環(huán)境可以增加空調(diào)等設(shè)備進(jìn)行降溫除濕，給變頻器一個(gè)良好的環(huán)境，確保變頻器可靠運(yùn)行，事實(shí)表明處理好變頻器的散熱不僅要求設(shè)計(jì)者從變頻器本身做到，還要求使用者正確使用嚴(yán)格按照使用說(shuō)明進(jìn)行安裝,有足夠的通風(fēng)空間，適合的使用環(huán)境，并且盡可能做到定期維護(hù),尤其是煤炭等多粉塵行業(yè)，定期給使用環(huán)境除塵,對(duì)變頻器風(fēng)道除塵，這樣才能使變頻器的散熱系統(tǒng)發(fā)揮正常功能，使變頻器的溫升在允許值之內(nèi)，變頻器才能可靠運(yùn)行,而為企業(yè)帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。
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