低壓變頻器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、一種低壓變頻器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)The Structural Design of a Low Voltage Inverter山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展XXX 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(shè)計(jì)的主要過(guò)程：包括熱設(shè)計(jì)；通風(fēng)量的計(jì)算；散熱器的設(shè)計(jì)，風(fēng)道的設(shè)計(jì)及整機(jī)防腐蝕設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：變頻器；功率損耗；熱阻；風(fēng)道Abstract: This paper takes 160kW/380V inverters as an example to gives main process of inverters structure design: includin

2、g 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(jì)算，通風(fēng)量計(jì)算，散熱器的設(shè)計(jì)，風(fēng)道的設(shè)計(jì)，防腐蝕設(shè)計(jì)等幾方面闡述了在特殊環(huán)境條件下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般過(guò)程。2 160kW/380V變頻器功率損耗（以下簡(jiǎn)稱(chēng)：功耗）計(jì)

3、算2.1 160kW/380V變頻器的主回路功耗計(jì)算2.1.1 160kW/380V變頻器的IGBT功耗計(jì)算變頻器選用型號(hào)為FF400R12KE3 的IGBT模塊共6件，IGBT功耗為： 續(xù)流二極管的開(kāi)關(guān)功耗包括在IGBT的ESW(on) 之中。(5)每一IGBT(兩個(gè)橋臂)總功耗為： 2PA=2( PC+ PD )=2( PSS+ PSW+PD )=2(189.4+23.1)=425(W)(6) 6個(gè)IGBT總功耗為：4256=2550(W)符號(hào)注釋?zhuān)篤CE(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，每個(gè)

4、脈沖對(duì)應(yīng)的IGBT開(kāi)通能量，ESW(on)=25mJ。ESW（off）：T=125；峰值電流ICP下，每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的IGBT關(guān)斷能量，ESW（off）=62mJ。fSW：變頻器每臂的PWM開(kāi)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(hào)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(guò)該值。 Tj=Tc+PTRth(j-c) Rth(j-c)可以在數(shù)據(jù)手冊(cè)中查到。 =75+4250.06

5、2 101150Rth(j-c)=標(biāo)定的結(jié)殼熱阻Tj=半導(dǎo)體結(jié)溫PT=器件的總平均功耗（PSW+PSS）Tc=模塊的基板溫度。設(shè)定Tc=75時(shí)，變頻器溫升保護(hù)。2.1.2整流模塊功耗計(jì)算變頻器選用型號(hào)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(jì)算。2.2 變頻器總功耗計(jì)算考慮主回路雜散電感及其他發(fā)熱元件對(duì)模塊的影響，總功耗約為：25501.331.2=4070(W)。3 通風(fēng)量計(jì)算 整機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)量按熱平衡方程進(jìn)行計(jì)算。Q熱=Cpq風(fēng)tq風(fēng)= Q熱60/(Cpt)式中： CP 空氣的比熱（Jkg?）1

6、005J/(kg?K)； 空氣的密度（kg/m3） 1.06kg/m3； q風(fēng) 通風(fēng)量（m3min）； Q熱 風(fēng)機(jī)帶走的熱量（W）， Q熱 90%； t 空氣出口與進(jìn)口溫差（） 一般是1015；q風(fēng)= 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(jī)通風(fēng)量需1248 m3/h。按照1.52倍的裕量選擇風(fēng)機(jī)的最大風(fēng)量。 綜合考慮噪音，能耗，穩(wěn)定性等因素選用德國(guó)EBM軸流風(fēng)機(jī)W2E300-CP02-30。4 散熱器的設(shè)計(jì)按照器件均勻布置的原則，所需散熱片

7、寬度約為300400mm，選400mm；長(zhǎng)度約為450600mm.選480mm。設(shè)環(huán)境溫度為T(mén)a。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(dǎo)至周?chē)h(huán)境，并使其熱源即結(jié)點(diǎn)的溫度不超過(guò)Tj。用公式表示為 ：P Q =(Tj-Ta )/R (熱量的消散除對(duì)流傳導(dǎo)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(diǎn)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(dǎo)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(dǎo)熱性

8、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(jì)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(gè)接觸表面的接觸壓力。（2）提高兩個(gè)接觸表面的加工精度。（3）兩個(gè)接觸表面之間充填導(dǎo)熱硅脂或?qū)嵯鹉z等墊層。（4）在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度許可的條

9、件下，選用較軟的材料整理散熱器。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(lái)看，最好的散熱片肋片形狀應(yīng)為流線型。（2）肋片散熱器的安裝應(yīng)使肋片的縱向與氣流方向相一致。（3）散熱器的表面應(yīng)進(jìn)行工藝處理：如黑色陽(yáng)極氧化；絕緣導(dǎo)熱涂層；鍍鉻酸鹽等。5 風(fēng)道的設(shè)計(jì) 通風(fēng)道設(shè)計(jì)的基本原則： （1）通風(fēng)道應(yīng)盡量短而直，盡量避免采用急拐彎和彎曲管道。 （2）應(yīng)盡可能避免管道進(jìn)出口的突然擴(kuò)張和收縮。 （3）應(yīng)盡量使矩形管道接近正方形。矩形管道長(zhǎng)短邊之比應(yīng)小于6：1。 （4）優(yōu)先采用密封管道。管道內(nèi)壁的連接處應(yīng)光滑，順氣流方向搭接。 （5）進(jìn)出風(fēng)口應(yīng)設(shè)濾塵裝置。風(fēng)道應(yīng)根據(jù)機(jī)箱

10、（柜）的阻力特性以及所選風(fēng)機(jī)的類(lèi)型、風(fēng)量。確定配置的工作點(diǎn)，再進(jìn)行合理的風(fēng)量分配，最后決定風(fēng)道的結(jié)構(gòu)尺寸和進(jìn)、出風(fēng)口的大小。根據(jù)以上的設(shè)計(jì)原則，本結(jié)構(gòu)采用獨(dú)立風(fēng)道設(shè)計(jì)，將散熱片，電解電容，延時(shí)電阻等發(fā)熱器件直接放在進(jìn)風(fēng)口，風(fēng)道與其他部分密封隔離，保證腐蝕性氣體不進(jìn)入變頻器結(jié)構(gòu)內(nèi)部，既能解決散熱通風(fēng)，又做到了防腐蝕保護(hù)。6整機(jī)防腐蝕設(shè)計(jì) 一般變頻器適用環(huán)境為1040，工作環(huán)境的溫度變化應(yīng)不大于5/h?？諝獾淖畲笙鄬?duì)濕度不超過(guò)90，每小時(shí)相對(duì)濕度的變化率不超過(guò)5且不得出現(xiàn)凝露。避免日曬雨淋。運(yùn)行地點(diǎn)無(wú)導(dǎo)電或爆炸塵埃,無(wú)腐蝕金屬或破壞絕緣的氣體或蒸氣，振動(dòng)頻率10150Hz，振動(dòng)加速度不大于5m/s

11、2，無(wú)三防要求。本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)適用于有腐蝕性氣體的環(huán)境。設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：正確選擇材料；合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；穩(wěn)定的加工、裝聯(lián)工藝；選用或建立有效合理的防護(hù)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(dǎo)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(shù)脂板做覆層絕緣處理，輸入輸出接線銅排采用環(huán)氧樹(shù)脂板（棒）做支撐件。（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：如圖2所示，采用獨(dú)立風(fēng)道，將主回路單元及驅(qū)動(dòng)部分做密封處理；控制線路板采用金屬屏蔽盒固定，有機(jī)玻璃板做密封；控制變壓器，延時(shí)電阻，均壓電阻放在風(fēng)道中；直流電抗與主回路單元隔離，加散熱風(fēng)機(jī)通風(fēng)；各密封部件的連線采用電纜夾套。獨(dú)立風(fēng)道設(shè)計(jì)較普

12、通防護(hù)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(chǎng)實(shí)際確定。（3）所有PCB線路板均做三防漆噴涂處理。安裝過(guò)程中均佩戴防護(hù)手套。設(shè)備檢驗(yàn)合格后對(duì)安裝過(guò)程中緊固件及溫升試驗(yàn)過(guò)的線路板做防銹漆噴涂處理。7 試驗(yàn)設(shè)備制造檢驗(yàn)合格后，按Q/0800SFD005-2010企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求調(diào)試試驗(yàn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿(mǎn)足要求。8 結(jié)束語(yǔ)變頻器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括廣泛的技術(shù)內(nèi)容，是力學(xué)，機(jī)械學(xué)，電學(xué)，光學(xué)，環(huán)境學(xué)，人機(jī)工程學(xué)等學(xué)科的綜合應(yīng)用。變頻器采用獨(dú)立風(fēng)道密封設(shè)計(jì)，可以提高變頻器的防護(hù)等級(jí)，延長(zhǎng)變頻器的使用壽命，增強(qiáng)對(duì)惡劣環(huán)境的適用性能。整理簡(jiǎn)介孔亮 男 工程師 在山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展XXX從事新產(chǎn)品研發(fā)、大功率變流器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。參考文獻(xiàn)1.High