高壓變頻器的冷卻方式

 高壓變頻調速系統雖然是一種非常高效的調速裝置，但是在運行中，仍然有2%-4%左右的損耗，這些損耗都變成熱量，最終耗散在大氣中。如何把這些熱量順利的從變頻器中帶出來(lái)，是變頻器設計中一個(gè)非常重要的問(wèn)題。
　　高壓變頻器的發(fā)熱部件主要是兩部分：一是整流變壓器，二是功率元件。功率元件的散熱方式是關(guān)鍵�，F代變頻器一般采用空氣冷卻或者水冷。在功率較小時(shí)，采用空氣冷卻就能夠滿(mǎn)足要求。在功率較大時(shí)，則需要在散熱器中通水，利用水流帶走熱量，因為散熱器一般都有不同的電位，所以必須采用絕緣強度較好的水，一般采用純凈水，它比普通蒸餾水的離子含量還要低。在水路的循環(huán)系統中，一般還要加離子樹(shù)脂交換器，因為散熱器上的金屬離子會(huì )不斷的溶解到水中，這些離子需要被吸附清除。
　　應該說(shuō)，從散熱的角度來(lái)說(shuō)，水冷是非常理想的。但是，水循環(huán)系統工藝要求高，安裝復雜，維護工作量大，而且一旦漏水，會(huì )帶來(lái)安全隱患。所以，能夠用空氣冷卻解決問(wèn)題的場(chǎng)合，就不要采用水冷。
　　空氣冷卻能夠解決的散熱功率，畢竟有一個(gè)極限，這個(gè)極限與技術(shù)類(lèi)別有關(guān)。比如，ABB公司的ACS1000系列三電平變頻器，規定在2000KW以上就必須采用水冷，而美國的羅賓康公司和AB公司，對于3200KW/6KV的變頻器，仍然采用空氣冷卻。這又是為什么呢？
　　原來(lái)，空氣冷卻能夠從設備中帶出來(lái)的熱量，與有效散熱面積的大小有關(guān)系，散熱面積越大，能夠帶走的熱量就越多。元器件的數目越多，散熱的面積就越大，空氣冷卻的效果就越好。對于6KV的變頻器，比3KV的變頻器器件數目多，而且單只器件的電流小，所以可以有較大的散熱面積，相當于熱量均分了。
　　有人會(huì )說(shuō)，我增大散熱器的面積，不就增大了散熱面積了嗎？我公司產(chǎn)品開(kāi)發(fā)部的試驗證明了這是一個(gè)悖論。電力電子元件的熱量按照如下方式傳導：沿散熱器表面散開(kāi)，再沿表面傳遞到散熱片上，被空氣帶走。沿散熱器表面散開(kāi)的面積是非常有限的，離開(kāi)元件較遠處，已經(jīng)基本感受不到熱量，所以把散熱器表面做大到一定程度，對散熱效果的增加已經(jīng)沒(méi)有意義。對于散熱器的齒片也是一樣，齒根處溫度較高，齒尖處只有很少的熱量到達，所以增高齒片到一定程度，對散熱也毫無(wú)用處。
所以，要解決大功率產(chǎn)品的空氣冷卻問(wèn)題，唯一有效的辦法是，利用很多的元器件，均攤熱量，增大有效的散熱面積。
　　當然，采用功耗較小的新一代元器件，或者采用熱阻較小的新式散熱器，也可以使空氣冷卻的變頻器功率更大，例如，在目前的IGBT封裝形式下，原來(lái)我們發(fā)現，如果不采用器件并聯(lián)，我們只能做到1800KW/6KV，現在，由于新一代IGBT器件和新式散熱器的采用，我們可以做到2300KW/6KV。這是技術(shù)研究的另一方面，與上面的分析不矛盾。
　　那么，為什么我們在2500KW/6KV以上的變頻器中采用IGBT并聯(lián)？并不是因為我們買(mǎi)不到那么大電流的IGBT，而是因為，通過(guò)試驗我們發(fā)現，在現有的技術(shù)條件下，如果不采用元器件并聯(lián)增大有效散熱面積，無(wú)法將內部的熱量用空氣帶出來(lái)，無(wú)法保證元器件的溫升滿(mǎn)足要求。
　　我們現在研究開(kāi)發(fā)5000KW/6KV的變頻器，為什么我們比較有把握？因為原來(lái)我們開(kāi)發(fā)的3200KW/6KV變頻器，是用15個(gè)功率單元帶走熱量，到了5000KW時(shí)，我們把功率單元增加到24個(gè)，每個(gè)功率單元帶走的熱量仍舊差不多。
　　有人又會(huì )問(wèn)：為什么ABB公司不采用元器件并聯(lián)呢？這是因為，在所有的器件中，只有IGBT和MOSFET是正溫度系數，適于并聯(lián)，IGCT是不適于并聯(lián)的，所以他們必須采用水冷了。
　　關(guān)于變頻器散熱的另外一個(gè)問(wèn)題是，把熱量從變頻器內部帶出來(lái)以后，如何耗散在大氣中。對于水冷裝置，需要在室外安裝一個(gè)水-空冷裝置，把熱水變成涼水。對于空氣冷卻的裝置，如果散熱量較大，需要安裝風(fēng)道，把熱空氣直接排出室外，否則，熱空氣會(huì )在室內聚集，造成室溫升高。以前有的用戶(hù)考慮用室內空調機降溫，事實(shí)證明在大功率變頻器應用中，需要較大的空調配置，是不經(jīng)濟的。如果用戶(hù)工廠(chǎng)內有冷卻水，我們建議用戶(hù)采用水-空冷裝置，這種裝置類(lèi)似于我們工廠(chǎng)的空調裝置，在水管上鑲嵌散熱片，在水管內通入冷水，冷水的流量要足夠大，保證散熱片較低的溫度，變頻器散出來(lái)的熱風(fēng)進(jìn)入散熱片，經(jīng)過(guò)散熱片后變成了涼風(fēng)。這種方式可以采用密閉的小屋放置變頻器，不用考慮灰塵的影響。萬(wàn)用表| 鉗表/鉗型表/鉗形表| 鉗形功率表| 頻率計| 電源| 示波器| 示波表| 場(chǎng)強儀| 信號發(fā)生器| 電池測試儀| 頻譜分析儀| 電容表| 測振儀| 兆歐表| 電阻測試儀| 多功能測試儀
　　總之，變頻器的散熱問(wèn)題有很多的學(xué)問(wèn)，結構設計人員在試驗中，發(fā)現了很多非常有意思的現象。而變頻器的結構設計，往往不是把東西裝進(jìn)去那么簡(jiǎn)單，需要考慮很多的問(wèn)題。