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高压变频器的冷却方式

高压变频器的冷却方式

高压变频调速系统虽然是一种非常高效的调速装置,但是在运行中,仍然有2%-4%左右的损耗,这些损耗都变成热量,最终耗散在大气中。如何把这些热量顺利的从变频器中带出来,是变频器设计中一个非常重要的问题。
高压变频器的发热部件主要是两部分:一是整流变压器,二是功率元件。功率元件的散热方式是关键。现代变频器一般采用空气冷却或者水冷。在功率较小时,采用空气冷却就能够满足要求。在功率较大时,则需要在散热器中通水,利用水流带走热量,因为散热器一般都有不同的电位,所以必须采用绝缘强度较好的水,一般采用纯净水,它比普通蒸馏水的离子含量还要低。在水路的循环系统中,一般还要加离子树脂交换器,因为散热器上的金属离子会不断的溶解到水中,这些离子需要被吸附清除。
应该说,从散热的角度来说,水冷是非常理想的。但是,水循环系统工艺要求高,安装复杂,维护工作量大,而且一旦漏水,会带来安全隐患。所以,能够用空气冷却解决问题的场合,就不要采用水冷。
空气冷却能够解决的散热功率,毕竟有一个极限,这个极限与技术类别有关。比如,ABB公司的ACS1000系列三电平变频器,规定在2000KW以上就必须采用水冷,而美国的罗宾康公司和AB公司,对于3200KW/6KV的变频器,仍然采用空气冷却。这又是为什么呢?
原来,空气冷却能够从设备中带出来的热量,与有效散热面积的大小有关系,散热面积越大,能够带走的热量就越多。元器件的数目越多,散热的面积就越大,空气冷却的效果就越好。对于6KV的变频器,比3KV的变频器器件数目多,而且单只器件的电流小,所以可以有较大的散热面积,相当于热量均分了。
有人会说,我增大散热器的面积,不就增大了散热面积了吗?我公司产品开发部的试验证明了这是一个悖论。电力电子元件的热量按照如下方式传导:沿散热器表面散开,再沿表面传递到散热片上,被空气带走。沿散热器表面散开的面积是非常有限的,离开元件较远处,已经基本感受不到热量,所以把散热器表面做大到一定程度,对散热效果的增加已经没有意义。对于散热器的齿片也是一样,齿根处温度较高,齿尖处只有很少的热量到达,所以增高齿片到一定程度,对散热也毫无用处。
所以,要解决大功率产品的空气冷却问题,唯一有效的办法是,利用很多的元器件,均摊热量,增大有效的散热面积。
当然,采用功耗较小的新一代元器件,或者采用热阻较小的新式散热器,也可以使空气冷却的变频器功率更大,例如,在目前的IGBT封装形式下,原来我们发现,如果不采用器件并联,我们只能做到1800KW/6KV,现在,由于新一代IGBT器件和新式散热器的采用,我们可以做到2300KW/6KV。这是技术研究的另一方面,与上面的分析不矛盾。

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Re:楼主

那么,为什么我们在2500KW/6KV以上的变频器中采用IGBT并联?并不是因为我们买不到那么大电流的IGBT,而是因为,通过试验我们发现,在现有的技术条件下,如果不采用元器件并联增大有效散热面积,无法将内部的热量用空气带出来,无法保证元器件的温升满足要求。
我们现在研究开发5000KW/6KV的变频器,为什么我们比较有把握?因为原来我们开发的3200KW/6KV变频器,是用15个功率单元带走热量,到了5000KW时,我们把功率单元增加到24个,每个功率单元带走的热量仍旧差不多。
有人又会问:为什么ABB公司不采用元器件并联呢?这是因为,在所有的器件中,只有IGBT和MOSFET是正温度系数,适于并联,IGCT是不适于并联的,所以他们必须采用水冷了。
关于变频器散热的另外一个问题是,把热量从变频器内部带出来以后,如何耗散在大气中。对于水冷装置,需要在室外安装一个水-空冷装置,把热水变成凉水。对于空气冷却的装置,如果散热量较大,需要安装风道,把热空气直接排出室外,否则,热空气会在室内聚集,造成室温升高。以前有的用户考虑用室内空调机降温,事实证明在大功率变频器应用中,需要较大的空调配置,是不经济的。如果用户工厂内有冷却水,我们建议用户采用水-空冷装置,这种装置类似于我们工厂的空调装置,在水管上镶嵌散热片,在水管内通入冷水,冷水的流量要足够大,保证散热片较低的温度,变频器散出来的热风进入散热片,经过散热片后变成了凉风。这种方式可以采用密闭的小屋放置变频器,不用考虑灰尘的影响。
总之,变频器的散热问题有很多的学问,结构设计人员在试验中,发现了很多非常有意思的现象。而变频器的结构设计,往往不是把东西装进去那么简单,需要考虑很多的问题。


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介绍非常专业,值得学习,但水冷降温需要变频器提供水冷降温的内部设施,几乎没见过。


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支持一下楼主。。。


乐观向上,快乐每一天。

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谢谢楼主介绍的专业知识,我本人是搞结构设计的,想问一下楼主,如何确定功率器件的有效散热面积?如果功率器件并联过多其驱动问题如何解决?谢谢!


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影响功率器件散热器散热性能的几何因素分析

型材散热器的几何结构由肋片和基座构成,主要几何参数包括肋片长、肋片厚,肋片数、基座厚、基座宽等,研究了型材散热器几何因素对其热性能的影响,通过改变散热器的几何参数,可以有效的降低散热器的热阻,获得好的散热效果。


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功率器件是多数电子设备中的关键器件,其工作状态的好坏直接影响整机可靠性。功率器件尤其是大功率器件发热量大,仅靠封装外壳散热无法满足散热要求,需要配置合理散热器有效散热,而散热器的选择是否合理又直接影响功率器件的可靠性,因此分析影响散热器散热性能的因素,有利于合理选取散热器,提高功率器件的可靠性。1 散热器的选择
在电子设备热设计中,型材散热器由于结构简单,加工方便、散热效果好而得到了广泛的应用,其 物理模型示意图如图1所示。
它由肋片和基座构成,主要的几何参数包括肋片长、肋片厚,肋片数、基座厚、基座宽等。在选择散热器时一般需要依据散热器热阻来合理选择,同时还需要考虑以下几点:安装散热器允许的空间、气流流量和散热器的成本等。散热器散热的效果与散热器热阻的大小密切相关,而散热器的热阻除了与散热器材料有关之外,还与散热器的形状、尺寸大小以及安装方式和环境通风条件等有关,目前没有精确的数学表达式能够用来计算散热器的热阻,通常是通过实际测量得到。而散热器的有效面积与散热器几何参数密切相关。
                                          


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2 影响散热器散热性能的几何因素分析
通过实验发现,散热器的几何因素对散热器的散热性能有很大的影响,现以一典型型材散热器为例,分析散热器各几何参数对散热器散热性能的影响。

选定某一功率器件(LM317)为热源,其工作电路原理图如图2所示。工作在自然冷却条件下,环境温度为30℃,功耗为3.2 W,选取的散热器为型材散热器SYX-YDE(物理模型如图3所示),散热器各个 几何参数如表1所示。
                                          
                                          
                                          
热源与散热器表面为金属与金属的干接触,无绝缘片也未涂硅脂或导热胶,查有关手册取热源与散热器之间的接触热阻为09℃/W。通过散热器设计分析软件进行初步分析,散热器优化设计分析软件采用的是美国Flunt公司的Qfin软件,它采用计算流体动力学求解器,有限体积法,非结构化网格可以逼近复杂的几何形状,同时能实现散热器肋片高度、长度等几何参数的优化。

通过散热器优化设计分析软件得到的散热器和热源相关热参数见表2。
                                       
                                          
下面具体分析改变散热器各几何参数对散热器性能的影响。
选定散热器热阻为优化目标,利用散热器优化设计软件,设定散热器某一几何参数为优化变量,比较优化前后几何参数的变化及对散热器热阻的影响。

    1) 散热器肋片长度的影响
在散热器优化设计软件中,按照建模向导,其他几何参数和环境条件均保持不变,分析肋片长度不同时,散热器热阻和热源结温的变化,得到如表3分析结果。
            
                              
从表中数据可看出,肋片长度适当增加能减小器件结温,但是过分增加肋片长度不能确保热量传导至散热器肋片的末端,因此使传热受到影响,不能大大降低结温,反而使散热器重量增加太多。一般认为散热器的肋片长度和基座宽度之比接近1传热较好。


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2) 散热器肋片厚度的影响
选定散热器热阻为优化目标,肋片厚度为优化变量,其他几何参数及环境条件均保持不变。为了保证散热器肋片的硬度,且易于加工,肋片厚度不能太薄,工程上一般设定肋片厚度≥1mm。按照上述条件,同理得到分析结果如表4:
                              
由于导热主要沿着肋片的纵向方向,因而肋片的厚度对散热器热性能没有太大的影响,肋片厚度的增加并没有使热源结温降低很多,反而增加了散热器的重量。同时改变散热器肋片厚度也大大增加了加工难度。因此,一般散热器进行工程优化,并不选定散热器的肋片厚度为优化目标。

    3) 散热器肋片高度的影响
在散热器优化设计软件中,按照建模向导,分别新建肋片高度为5mm和18mm的散热器模型,其他几何参数和环境条件均保持不变,分析肋片高度不同时,散热器热阻和热源结温的变化,得到如表5分析结果。

                              
由表中可以看出肋片高度对散热器热性能有很大影响,一般随着肋片高度的增加,器件的热量更易通过肋片散至周围空间。但是如果肋片高度过高,散热器体积增加太多,不符合航空航天设备体积小,重量轻的要求,因此散热器肋片高度不宜过高。

一般肋片的高度加倍,则散热能力为原来1.4倍。选定优化目标为散热器热阻,优化变量为散热器肋片高度,得到优化结果如表6所示。
                              


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4)散热器肋片个数的影响
    选定散热器热阻为优化目标,肋片个数为优化变量,其他几何参数及环境条件均保持不变,得到如表7所示分析结果:                                   
一般随着肋片数目的增多热源结温会有所降低,但是超过某一数值后随着肋片的增多器件结温没有明显变化,而散热器重量明显增加。同时肋片数目增加有时还要考虑器件安装的问题,有的器件安装在散热器两肋片之间,如果肋片数太多,器件不易安装在散热器上。因而不能盲目增加肋片的数目。

    5) 散热器材料及辐射的影响
散热器以对流和辐射形式散热。在自然对流情况下,应考虑辐射的影响,这里边界条件考虑的是自然对流及辐射,散热器的材料不同时引起散热器导热系数的变化。仍旧选定散热器热阻为优化目标,选定散热器材料为铜或铝,得到如下分析结果:
                                   
由上表数据可知,散热器材料选取铜或者铝对于散热器性能并没有太大影响,这表明限制散热器热阻的一般是固体-流体表面的热阻。如果散热器表面未进行氧化处理,对于散热器热阻和性能有较大影响。所以散热器一般都要进行煮黑氧化处理,降低散热器热阻,减小热源结温,使得器件更安全可靠工作。
3 误差分析
选取热源与散热器上的若干点,分别进行软件模拟分析与实际热测量,热测量采用的是HP34970A温度测量仪,测温误差为±0.5℃,得到的结果见表9所示:

                                    
                                    
从表9可以看出,模拟分析的最大误差为5.7%,满足工程要求。
4 小 结
在上述改变散热器各几何参数中,并没有改变基座的几何参数,由于散热器主要是靠肋片增加散热器表面积达到有效散热,基座对于散热器的影响并不明显。而且改变基座的尺寸在工程实际中不易实现,还会使散热器成本太高。因此一般散热器优化设计时不考虑散热器基座的尺寸。
综合以上数据分析可知,散热器肋片的厚度对散热器性能的影响不如散热器其他几何参数的影响明显。而肋片高度对散热器散热性能的影响比肋片长度影响大,适当增加散热器肋片的长度、高度和厚度可以增加散热面积,改善散热效果,但散热器尺寸大到一定程度时,对于散热器散热性能的影响不明显,还会增加体积、重量和成本。因此,在进行散热器优化设计时,应考虑影响散热器散热性能的主要因素,合理选择散热器的几何尺寸,在保证散热器体积小、重量轻的情况下达到最佳的散热效果。


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