低壓變頻器的結(jié)構(gòu)設計

1、一種低壓變頻器的結(jié)構(gòu)設計The Structural Design of a Low Voltage Inverter山東新風光電子科技發(fā)展有限公司 孔亮Kong Liang摘 要：本文以160kW/380V變頻器為例，闡述了變頻器結(jié)構(gòu)設計的主要過程：包括熱設計；通風量的計算；散熱器的設計，風道的設計及整機防腐蝕設計。關(guān)鍵詞：變頻器；功率損耗；熱阻；風道Abstract: This paper takes 160kW/380V inverters as an example to gives main process of inverters structure design: includi

2、ng thermal design; ventilation rate calculation; radiator design, duct design and machine design of Corrosion prevention.Key words: Inverter Power consumption Thermal resistance Wind tunnel1引言 本文以160kW/380V通用變頻器為例，分別從功耗計算，通風量計算，散熱器的設計，風道的設計，防腐蝕設計等幾方面闡述了在特殊環(huán)境條件下的結(jié)構(gòu)設計的一般過程。2 160kW/380V變頻器功率損耗（以下簡稱：功耗）

3、計算2.1 160kW/380V變頻器的主回路功耗計算2.1.1 160kW/380V變頻器的IGBT功耗計算變頻器選用型號為FF400R12KE3 的IGBT模塊共6件，IGBT功耗為： 續(xù)流二極管的開關(guān)功耗包括在IGBT的ESW(on) 之中。(5)每一IGBT(兩個橋臂)總功耗為： 2PA=2( PC+ PD )=2( PSS+ PSW+PD )=2(189.4+23.1)=425(W)(6) 6個IGBT總功耗為：4256=2550(W)符號注釋：VCE(sat): T=125，峰值電流ICP下IGBT的飽和壓降；VCE(sat)=2V。ESW(on)：T=125；峰值電流ICP下，每

4、個脈沖對應的IGBT開通能量，ESW(on)=25mJ。ESW（off）：T=125；峰值電流ICP下，每個脈沖對應的IGBT關(guān)斷能量，ESW（off）=62mJ。fSW：變頻器每臂的PWM開關(guān)頻率（通常fSW=fC），取值為2kHz。ICP：正弦輸出的電流峰值，ICP =400A。VEC：IEP情況下，續(xù)流二極管的正向壓降，VEC =0.7V。D：PWM信號占空比，取值為0.5。：輸出電壓與電流間的相位角，（功率因數(shù)= ）。 平均結(jié)溫的估算：IGBT的最大結(jié)溫是150，在任何情況下都不能超過該值。 Tj=Tc+PTRth(j-c) Rth(j-c)可以在數(shù)據(jù)手冊中查到。 =75+4250.0

5、62 101150Rth(j-c)=標定的結(jié)殼熱阻Tj=半導體結(jié)溫PT=器件的總平均功耗（PSW+PSS）Tc=模塊的基板溫度。設定Tc=75時，變頻器溫升保護。2.1.2整流模塊功耗計算變頻器選用型號為ZXQ400A-1200V的3只，可控硅模塊選用KZQ600-1200V的1只，整流模塊和可控硅模塊總功耗按IGBT模塊的三分之一計算。2.2 變頻器總功耗計算考慮主回路雜散電感及其他發(fā)熱元件對模塊的影響，總功耗約為：25501.331.2=4070(W)。3 通風量計算 整機通風系統(tǒng)的通風量按熱平衡方程進行計算。Q熱=Cpq風tq風= Q熱60/(Cpt)式中： CP 空氣的比熱（Jkg?）

6、1005J/(kg?K)； 空氣的密度（kg/m3） 1.06kg/m3； q風 通風量（m3min）； Q熱 風機帶走的熱量（W）， Q熱 90%； t 空氣出口與進口溫差（） 一般是1015；q風= Q熱60/(Cpt)=90%Q熱60/(10051.06t)=0.051Q熱/t=0.0514070/10=20.8 (m3/min)=1248(m3/h)式中 P為變頻器額定功耗（kW）。整機通風量需1248 m3/h。按照1.52倍的裕量選擇風機的最大風量。 綜合考慮噪音，能耗，穩(wěn)定性等因素選用德國EBM軸流風機W2E300-CP02-30。4 散熱器的設計按照器件均勻布置的原則，所需散熱

7、片寬度約為300400mm，選400mm；長度約為450600mm.選480mm。設環(huán)境溫度為Ta。散熱器的配置目的，是必須保證它能將元件的熱損耗有效地傳導至周圍環(huán)境，并使其熱源即結(jié)點的溫度不超過Tj。用公式表示為 ：P Q =(Tj-Ta )/R (熱量的消散除對流傳導外，還可輻射。) 而熱阻又主要由三部分組成：R = Rjc+Rcs+Rsa Rjc：結(jié)點至管殼的熱阻；Rcs：管殼至散熱器的熱阻；Rsa：散熱器至空氣的熱阻。 其中，Rjc與元件的工藝水平和結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系，由制造商給出。 Rcs與管殼和散熱器之間的填隙介質(zhì)（導熱硅脂）、接觸面的粗糙度、平面度以及安裝的壓力等密切相關(guān)。介質(zhì)的導熱

8、性能越好，或者接觸越緊密，則Rcs越小。(參考值：一般可考慮Rcs0.1Rjc) Rsa是散熱器選擇的重要參數(shù)。它與材質(zhì)、材料的形狀和表面積、體積、以及空氣流速等參量有關(guān)。 綜合和，可得Rsa 0.039W/cm2散熱器的熱阻計算RSa=L/KA,將L=48；K=0.216；A=33787.68,帶入得RSa=0.007( Tj-Ta )/P-Rjc-Rcs=(125-50)/499.6-0.062-0.031=0.057 RSa減少接觸熱阻的主要措施：（1）緊固兩個接觸表面的接觸壓力。（2）提高兩個接觸表面的加工精度。（3）兩個接觸表面之間充填導熱硅脂或?qū)嵯鹉z等墊層。（4）在結(jié)構(gòu)強度許可的

9、條件下，選用較軟的材料制作散熱器。減小散熱器熱阻的主要措施有：（1）合理選用散熱器的結(jié)構(gòu)形式.從熱流線的分布規(guī)律來看，最好的散熱片肋片形狀應為流線型。（2）肋片散熱器的安裝應使肋片的縱向與氣流方向相一致。（3）散熱器的表面應進行工藝處理：如黑色陽極氧化；絕緣導熱涂層；鍍鉻酸鹽等。5 風道的設計 通風道設計的基本原則： （1）通風道應盡量短而直，盡量避免采用急拐彎和彎曲管道。 （2）應盡可能避免管道進出口的突然擴張和收縮。 （3）應盡量使矩形管道接近正方形。矩形管道長短邊之比應小于6：1。 （4）優(yōu)先采用密封管道。管道內(nèi)壁的連接處應光滑，順氣流方向搭接。 （5）進出風口應設濾塵裝置。風道應根據(jù)機

10、箱（柜）的阻力特性以及所選風機的類型、風量。確定配置的工作點，再進行合理的風量分配，最后決定風道的結(jié)構(gòu)尺寸和進、出風口的大小。根據(jù)以上的設計原則，本結(jié)構(gòu)采用獨立風道設計，將散熱片，電解電容，延時電阻等發(fā)熱器件直接放在進風口，風道與其他部分密封隔離，保證腐蝕性氣體不進入變頻器結(jié)構(gòu)內(nèi)部，既能解決散熱通風，又做到了防腐蝕保護。6整機防腐蝕設計 一般變頻器適用環(huán)境為1040，工作環(huán)境的溫度變化應不大于5/h?？諝獾淖畲笙鄬穸炔怀^90，每小時相對濕度的變化率不超過5且不得出現(xiàn)凝露。避免日曬雨淋。運行地點無導電或爆炸塵埃,無腐蝕金屬或破壞絕緣的氣體或蒸氣，振動頻率10150Hz，振動加速度不大于5m/

11、s2，無三防要求。本結(jié)構(gòu)設計適用于有腐蝕性氣體的環(huán)境。設計準則：正確選擇材料；合理的結(jié)構(gòu)設計；穩(wěn)定的加工、裝聯(lián)工藝；選用或建立有效合理的防護體系。（1）材料的選擇：殼體及支撐性金屬結(jié)構(gòu)件選用優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板，采用室外三防塑粉噴塑處理；導電金屬件選用優(yōu)質(zhì)紫銅板，鍍鎳處理。銅排間采用環(huán)氧樹脂板做覆層絕緣處理，輸入輸出接線銅排采用環(huán)氧樹脂板（棒）做支撐件。（2）結(jié)構(gòu)設計：如圖2所示，采用獨立風道，將主回路單元及驅(qū)動部分做密封處理；控制線路板采用金屬屏蔽盒固定，有機玻璃板做密封；控制變壓器，延時電阻，均壓電阻放在風道中；直流電抗與主回路單元隔離，加散熱風機通風；各密封部件的連線采用電纜夾套。獨立風道設計較普通防護的變頻器，器件選型和散熱器件余量略大一些，具體情況根據(jù)現(xiàn)場實際確定。（3）所有PCB線路板均做三防漆噴涂處理。安裝過程中均佩戴防護手套。設備檢驗合格后對安裝過程中緊固件及溫升試驗過的線路板做防銹漆噴涂處理。7 試驗設備制造檢驗合格后，按Q/0800SFD005-2010企業(yè)標準要求調(diào)試試驗，各項性能指標均滿足要求。8 結(jié)束語變頻器的結(jié)構(gòu)設計包括廣泛的技術(shù)內(nèi)容，是力學，機械學，電學，光學，環(huán)境學，人機工程學等學科的綜合應用。變頻器采用獨立風道密封設計，可以提高變頻器的防護等級，延長變頻器的使用壽命，增強對惡劣環(huán)境的適用性能。作者簡介孔亮 男 工程師 在山東