變頻器的熱設(shè)計

以下資料主要是在網(wǎng)上搜集來的，加了點(diǎn)個人的理解，目的是將其作為自己在散熱知識掌握程度的一個小結(jié)，希望對同行設(shè)計人員有個參考作用以18.5KW變頻器舉例"通常散熱器的設(shè)計分為三步1:根據(jù)相關(guān)約束條件設(shè)計處輪廓圖。2:根據(jù)散熱器的相關(guān)設(shè)計準(zhǔn)則對散熱器齒厚、齒的形狀、齒間距、基板厚度進(jìn)行優(yōu)化。3:進(jìn)行校核計算"變頻器發(fā)熱主要是來自功率模塊IGBT和整流橋，必須通過散熱器導(dǎo)熱，采用自然風(fēng)冷或強(qiáng)迫風(fēng)冷將熱量散發(fā)出去。“散熱器冷卻方式的判斷對通風(fēng)條件較好的場合：散熱器表面的熱流密度小于0.039W/cm2，可采用自然風(fēng)冷。對通風(fēng)條件較惡劣的場合：散熱器表面的熱流密度小于0.024W/cm2，可采用自然風(fēng)冷。對通風(fēng)條件較好的場合，散熱器表面的熱流密度大于0.039W/cm2而小于0.078W/cm2，必須采用強(qiáng)迫風(fēng)冷。對通風(fēng)條件較惡劣的場合：散熱器表面的熱流密度大于0.024W/cm2而小于0.078W/cm2，必須采用強(qiáng)迫風(fēng)冷”注：“”中的文字是轉(zhuǎn)摘來的，不知道依據(jù)，也不太理解。以下同，不再說明！“自然冷卻散熱器的設(shè)計方法考慮到自然冷卻時溫度邊界層較厚，如果齒間距太小，兩個齒的熱邊界層易交叉，影響齒表面的對流，所以一般情況下，建議自然冷卻的散熱器齒間距大于12mm，如果散熱器齒高低于10mm，可按齒間距≥1.2倍齒高來確定散熱器的齒間距，一般齒間距=<1/4的散熱器高度”變頻器首先按照模塊放置要求，預(yù)先確定外形尺寸為寬*長*厚260*220*50先看看自然風(fēng)冷，按照上述原則，選擇鎮(zhèn)江長虹散熱器有限公司的DY-V系列散熱器，見下圖下載(13.48KB)2010-1-1910:30變頻器發(fā)熱量為額定功率P的5%-6%18.5kw變頻器發(fā)熱量計算Q熱=6%P=6%*18.5=1.11(kw)=1110(W)P為變頻器額定功率型材散熱器表面積計算A=UL式中：U散熱器翅片橫截面的周長，cmL散熱器的長度，cmA=2422.5209*220*10-2=5329.545(cm2)散熱器表面的熱流密度Q熱/A=1110/5329.545=0.208(W/cm2)>=0.039W/cm2計算出來的散熱器表面的熱流密度，遠(yuǎn)大于限制的0.039W/cm2，就算加長加厚散熱器，增大表面積，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，所以不能采用自然風(fēng)冷，要采用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器的布置見下圖下載(39.26KB)2010-1-1910:30也有將散熱器熱阻RTf來作為選擇散熱器的主要依據(jù)。Tj、RTj是半導(dǎo)體器件提供的參，P是耗散功率，RTc可以從熱設(shè)計專業(yè)書籍中查到。下面介紹一下散熱器的選擇。（1）自然冷卻散熱器的選擇首先按以下式子計算總熱阻RT和散熱器的熱阻RTf，即：RT=(Tjmax-Ta)/PcRTf=RT-RTj-RT。算出RT和RTf之后，可根據(jù)RTf和P來選擇散熱器。選擇時，根據(jù)所選散熱RTf和P曲線，在橫坐標(biāo)上查出已知P，再查出與P對應(yīng)的散熱器的熱阻R'Tf。按照R'Tf≤RTf的原則選擇合理的散熱器即可。（2）強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器的選擇強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器在選擇時應(yīng)根據(jù)散熱器的熱阻RTf和風(fēng)速來選擇合適的散熱器。”又有見“1.概念(1)元件工作結(jié)溫Tj：即元件允許的最高工作溫度極限。本參數(shù)由制造廠提供，或產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制給出要求。(2)元件的損耗功率P：元件在工作時自身產(chǎn)生的平均穩(wěn)態(tài)功率消耗，定義為平均有效值輸出電流與平均有效值電壓降的乘積。(3)耗散功率Q：特定散熱結(jié)構(gòu)的散熱能力。(4)熱阻R：熱量在媒質(zhì)之間傳遞時，單位功耗所產(chǎn)生的溫升。R=ΔT/Q2.散熱器的選配設(shè)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(dǎo)至周圍環(huán)境，并使其熱源＿即結(jié)點(diǎn)的溫度不超過Tj。用公式表示為P<Q=(Tj-Ta)/R①(當(dāng)然，熱量的消散除對流傳導(dǎo)外，還可輻射。在后面討論)而熱阻又主要由三部分組成：R=Rjc+Rcs+Rsa②Rjc：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)（通常為空氣）、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)熱性能越好，或者接觸越緊密，則Rcs越小。(參考值：我廠凸臺元件的風(fēng)冷安裝，一般可考慮Rcs≈0.1Rjc)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①和②，可得Rsa<〔(Tj-Ta)/P〕-Rjc-Rcs③上式③即散熱器選配的基本原則。一般散熱器廠商應(yīng)提供特定散熱器材料的形狀參數(shù)和熱阻特性曲線，據(jù)此設(shè)計人員可計算出所需散熱器的表面積、長度、重量，并進(jìn)一步求得散熱器的熱阻值Rsa?！贝朔N方法沒試過，因為具體到某種型號的散熱器的性能曲線，不容量獲得既已采用強(qiáng)迫風(fēng)冷，就要選擇風(fēng)機(jī)“設(shè)定肋基溫度為+80℃，用整機(jī)的高溫環(huán)境溫度+50℃作為進(jìn)口空氣溫度，設(shè)定出口空氣溫度為+60℃，定性溫度為tf=(60+50)/2=55℃強(qiáng)制風(fēng)冷所帶走的熱量大約是總損耗功率的90%，其余10%主要靠電源外殼向外的熱輻射以及自然對流散掉”通風(fēng)量的計算Q熱'=Cp*ρ*Q風(fēng)*ΔtQ風(fēng)=Q熱*60/(Cp*ρ*Δt)式中：CP空氣的比熱（J?kg?℃）1005J/(kg?K)；ρ空氣的密度（kg/m3）1.06kg/m3；Q風(fēng)通風(fēng)量（m3?min）；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10℃-15℃；不知道此依據(jù)是什么Q風(fēng)=Q熱'*60/(Cp*ρ*Δt)=90%*Q熱*60/(1005*1.06*△t)=0.051*Q熱/△t=0.051*1110/10=5.66(m3/min)上式Q風(fēng)=0.051*Q熱/△t變化一下Q風(fēng)=0.051*P機(jī)*60/△t=3.06*P機(jī)/△t式中P機(jī)為變頻器額定功率，kw是我常用的公式，作為計算所需風(fēng)量的依據(jù)，個人以為△t取10偏低，理論風(fēng)量太大，實(shí)際上也沒有測量過正好手頭有一本科暢公司的風(fēng)機(jī)說明書，上有風(fēng)量計算公式，Q風(fēng)=1.76P/(t2-t1)(CFM)英尺3/min=0.05P/(t2-t1)(m3/min)舉有一例：AirFlow=1.76*1000/(59-20)=45(CFM)(發(fā)熱量1000W，出口溫度59℃，進(jìn)口溫度20℃)溫差達(dá)39℃，到底應(yīng)該是多少比較合適，暈！理論計算出來的風(fēng)量值，考慮到風(fēng)量損失及安全性等因素，要乘以1.5-2倍，Q風(fēng)‘>=1.5Q風(fēng)選用臺灣建準(zhǔn)KD2412PMBX_6A風(fēng)量120CFM=3.4m3/min，兩只根據(jù)冷卻方案，確定了強(qiáng)迫風(fēng)冷，重新選定散熱器，選擇無錫鴻祥散熱器有限公司的插片式散熱器，見圖，輪廓尺寸是根據(jù)元器件的放置大致初定的，下面就要校核。下載(14.34KB)2010-1-1910:30散熱器的校核計算換熱方程式Q熱=h.A·△t·ηf式中:Q熱電子設(shè)備的耗熱，Wh總換熱系數(shù)，W/m2·℃有效換熱面積，m2對流平均溫差，℃換熱效率A△tηf這個公式是電子設(shè)備熱設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)手冊上查到的，不會有錯，就看怎么理解參數(shù)了。但中國電子科技集團(tuán)公司第14研究所夏愛清的那篇文章上的公式與之相比有點(diǎn)區(qū)別，摘錄如下：以下簡稱夏文“Q0=hPLC·(t0-tf)設(shè)定ηf為肋片散熱效率，則實(shí)際散熱量為：Q=Q0·ηf=hPLC·△t·ηf式中，h為對流換熱系數(shù)，W/m2·℃；P為肋片橫截面周長，m；Lc為修正長度，m；△t為流體與壁面的溫差，℃。設(shè)定肋基溫度為+80℃，用整機(jī)的高溫環(huán)境溫度+50℃作為進(jìn)口空氣溫度，設(shè)定出口空氣溫度為+60℃，則：△t=80-50=30℃定性溫度為tf=(60+50)/2=55℃”這里將△t=30℃，我理解為散熱器鋁片與環(huán)境溫度差但P.LC不理解，肋片橫截面周長*修正長度，得到的結(jié)果是什么面積呢？回到換熱公式，先來求h，總換熱系數(shù)h=λ.Nu/d式中：h換熱系數(shù)W/m2.℃λ空氣的換熱系數(shù)W/m.℃0.029W/(m·K)努謝爾特數(shù)Nud當(dāng)量直徑，m當(dāng)量直徑d=4A/U式中：A散熱片中每兩個肋片圍成的面積，m2U散熱片中每兩個肋片圍成的周長，m從圖3可以看出每兩個肋片圍成的尺寸是5.2*79d=4A/U=4*0.0052*0.079/2(0.0052+0.079)=0.00976m下面求努謝爾特數(shù)Nu要求出努謝爾特數(shù)Nu，先要求出雷諾數(shù)ReRe=vd/ν式中：Re雷諾數(shù)vdν空氣流速m/s當(dāng)量直徑運(yùn)動粘度m18.9×10^-6m2/s空氣流速v和風(fēng)機(jī)相關(guān)，v=Q風(fēng)*90%/AQ風(fēng)風(fēng)機(jī)的標(biāo)稱通風(fēng)量考慮到側(cè)隙和底縫及同風(fēng)量不均勻等因素，所以按90%計算A通風(fēng)孔的面積這個我也有疑慮，是機(jī)箱出風(fēng)口面積還是進(jìn)風(fēng)口的面積，又或是散熱器的肋板風(fēng)道面積呢？《夏》文中，風(fēng)機(jī)是貼著板壁放置，向里吹風(fēng)，所以此面積是機(jī)箱板壁進(jìn)風(fēng)口的面積，我的這個沒有板壁阻擋，只有安全罩，向外排風(fēng)的，面積應(yīng)該采用哪個呢，我這里采用機(jī)箱上部出風(fēng)口的孔洞面積，120*120mm2v=Q風(fēng)*90%/A=4.2*90%/(0.12*0.12)=262.5(m/min)=4.375(m/s)Re=vd/ν=4.375*0.00976/18.9×10^-6=2259由2200<Re<10^4可知，空氣在散熱器內(nèi)為強(qiáng)制紊流，則由下面的公式計算出努謝爾特數(shù)，即Nu=0.116(Re^2/3-125)Pr^1/3[1+(d/L)^2/3(μ′/μ)^0.14]式中：Re雷諾數(shù)Pr普郎特數(shù)查得Pr=0.7d當(dāng)量直徑mL散熱器長度mμ動力粘度初步定為220mm20.1×10^-6kg/(m.s)μ′為空氣定性溫度為+50°C時的動力粘度，19.6×10^-6kg/(m.s)上式是《夏》文引用的。在《電子設(shè)備手冊》中，也提到到了努謝爾特數(shù)Nu計算，Re<2200層流狀態(tài)Nu=1.86(Re.Pr.d/L)^1/3.(μ′/μ)^0.14Re>10^4紊流狀態(tài)Nu=0.023Re^0.8.Pr^0.4偏沒有2200<Re<10^4時的公式，郁悶！所以這里采用《夏》文中的公式。Nu=0.116(Re^2/3-125)Pr^1/3[1+(d/L)^2/3(μ′/μ)^0.14]=0.116(2259^2/3-125)*0.7^1/3[1+(0.00976/0.22)^2/3*(19.6*10^-6/20.1*10^-6)^0.14=5.5現(xiàn)在可以計算對流換熱系數(shù)了h=λ.Nu/d=0.029*5.5/0.00976=16.34(w/m2.k)再來計算總的換熱量Q熱=h.A·△t·ηfηf按0.9取值，也沒什么依據(jù)，有按0.95取的