大功率高壓變頻器的散熱分析

  成功案例     |      2023-05-10 21:13:34

  在大型電力電子設(shè)備中,隨著溫度的增加,失效率也增加,因此大功率高壓變頻器功率器件的熱設(shè)計直接關(guān)系到設(shè)備的可靠性與穩(wěn)定性。大功率高壓變頻器往往要求有極高的可靠性,影響電力電子設(shè)備失效的主要形式是熱失效,據(jù)統(tǒng)計,50%以上的電子熱失效主要是由于溫度超過額定值引起的。從結(jié)構(gòu)設(shè)計上來說散熱技術(shù)是保證設(shè)備正常運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。高壓變頻器設(shè)備功率大,一般為MW級,在正常工作時,會產(chǎn)生大量的熱量。為保證設(shè)備的正常工作,把大量的熱量散發(fā)出去,優(yōu)化散熱與通風(fēng)方案,進(jìn)行合理的設(shè)計與計算,實(shí)現(xiàn)設(shè)備的高效散熱,對于提高設(shè)備的可靠性是十分必要的。

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  散熱計算:

  高壓變頻器在正常工作時,熱量來源主要是隔離變壓器、電抗器、功率單元、控制系統(tǒng)等,其中作為主電路電子開關(guān)的功率器件的散熱、功率單元的散熱設(shè)計及功率柜的散熱與通風(fēng)設(shè)計最為重要。對IGBT或IGCT功率器件來說,其pn結(jié)不得超過125℃,封裝外殼為85℃。有研究表明,元器件溫度波動超過±20℃,其失效率會增大8倍。

  散熱設(shè)計注意事項(xiàng):

  (1)選用耐熱性和熱穩(wěn)定性好的元器件和材料,以提高其允許的工作溫度;

  (2)減小設(shè)備(器件)內(nèi)部的發(fā)熱量。為此,應(yīng)多選用微功耗器件,如低耗損型IGBT,并在電路設(shè)計中盡量減少發(fā)熱元器件的數(shù)量,同時要優(yōu)化器件的開關(guān)頻率以減少發(fā)熱量;

  (3)采用適當(dāng)?shù)纳岱绞胶陀眠m當(dāng)?shù)睦鋮s方法,降低環(huán)境溫度,加快散熱速度。

  排風(fēng)量計算:

  在最惡劣環(huán)境溫度情況下,計算散熱器最高溫度達(dá)到需求時候的最小風(fēng)速。根據(jù)風(fēng)速按照冗余放大率來確定排風(fēng)量。排風(fēng)量的計算公式為:Qf=Q/(Cpρ△T)

  式中:

  Qf:強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)所須提供的風(fēng)量。

  Q:被冷卻設(shè)備的總熱功耗。

  Cp=1005J/(kg℃):空氣比熱,J/(kg℃)。

  ρ=1.11(m3/kg):空氣密度。

  △T=10℃:進(jìn)、出口處空氣的溫差。

  根據(jù)風(fēng)量和風(fēng)壓確定風(fēng)機(jī)型號,使得風(fēng)機(jī)工作在效率最高點(diǎn)處,即增加了風(fēng)機(jī)壽命又提高了設(shè)備的通風(fēng)效率。

  風(fēng)道設(shè)計

  串聯(lián)風(fēng)道是由每個功率模塊的散熱器上下相對,形成上下對應(yīng)的風(fēng)道,其特點(diǎn)由上下多個功率單元形成串聯(lián)的通路,結(jié)構(gòu)簡單,風(fēng)道垂直使得風(fēng)阻小;但由于空氣從下到上存在依次加熱的問題,造成上面的功率單元環(huán)境溫差小,散熱效果差。

  并聯(lián)風(fēng)道中從每個功率單元的前面進(jìn)風(fēng),對應(yīng)的進(jìn)風(fēng)口并聯(lián)排列,在后面的風(fēng)倉中匯總后由風(fēng)機(jī)抽出,同時整個功率柜一般采用冗余的方法,有多個風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行,整體散熱效果好,并提高了設(shè)備的可靠性。但柜體后面要形成風(fēng)倉,增大了設(shè)備的體積,同時由于各個功率單元后端到風(fēng)機(jī)的距離不同,使得每個功率單元的風(fēng)流量不一致,是設(shè)計的難點(diǎn)。

  根據(jù)串聯(lián)風(fēng)道和并聯(lián)風(fēng)道的特點(diǎn),高壓變頻器選擇并聯(lián)風(fēng)道設(shè)計,并形成了獨(dú)有的結(jié)構(gòu)專利技術(shù)。

  仿真分析:

  利用仿真軟件可以在以上各種不同結(jié)構(gòu)及層次上對系統(tǒng)散熱、溫度場及內(nèi)部流體運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行高效、準(zhǔn)確、簡便的定量分析。根據(jù)仿真結(jié)果,對散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估、修改,然后再次仿真,直到得到滿足要求的結(jié)果。通過這種方式,我們對熱失效進(jìn)行了很好控制,從而大大提高了設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。

  變頻器是一種使電動機(jī)變速運(yùn)行進(jìn)而達(dá)到節(jié)能效果的設(shè)備,習(xí)慣上把額定電壓在3kV到10kV之間的電動機(jī)稱為高壓電機(jī),因此一般把針對3kV至10kV高電壓環(huán)境下運(yùn)行的電動機(jī)而開發(fā)的變頻器稱為高壓變頻器。與低壓變頻器相比,高壓變頻器適用于大功率風(fēng)電、水泵的變頻調(diào)速,可以收到顯著的節(jié)能效果。