高压变频器的冷却方式讨论 点击：2544 | 回复：20
发表于：2006-01-17 17:42:00
楼主
由利德华福提供，欢迎大家讨论。
高压变频器的冷却方式
高压变频调速系统虽然是一种非常高效的调速装置，但是在运行中，仍然有2%-4%左右的损耗，这些损耗都变成热量，最终耗散在大气中。如何把这些热量顺利的从变频器中带出来，是变频器设计中一个非常重要的问题。
高压变频器的发热部件主要是两部分：一是整流变压器，二是功率元件。功率元件的散热方式是关键。现代变频器一般采用空气冷却或者水冷。在功率较小时，采用空气冷却就能够满足要求。在功率较大时，则需要在散热器中通水，利用水流带走热量，因为散热器一般都有不同的电位，所以必须采用绝缘强度较好的水，一般采用纯净水，它比普通蒸馏水的离子含量还要低。在水路的循环系统中，一般还要加离子树脂交换器，因为散热器上的金属离子会不断的溶解到水中，这些离子需要被吸附清除。
应该说，从散热的角度来说，水冷是非常理想的。但是，水循环系统工艺要求高，安装复杂，维护工作量大，而且一旦漏水，会带来安全隐患。所以，能够用空气冷却解决问题的场合，就不要采用水冷。
空气冷却能够解决的散热功率，毕竟有一个极限，这个极限与技术类别有关。比如，ABB公司的ACS1000系列三电平变频器，规定在2000KW以上就必须采用水冷，而美国的罗宾康公司和AB公司，对于3200KW/6KV的变频器，仍然采用空气冷却。这又是为什么呢？
原来，空气冷却能够从设备中带出来的热量，与有效散热面积的大小有关系，散热面积越大，能够带走的热量就越多。元器件的数目越多，散热的面积就越大，空气冷却的效果就越好。对于6KV的变频器，比3KV的变频器器件数目多，而且单只器件的电流小，所以可以有较大的散热面积，相当于热量均分了。
有人会说，我增大散热器的面积，不就增大了散热面积了吗？我公司产品开发部的试验证明了这是一个悖论。电力电子元件的热量按照如下方式传导：沿散热器表面散开，再沿表面传递到散热片上，被空气带走。沿散热器表面散开的面积是非常有限的，离开元件较远处，已经基本感受不到热量，所以把散热器表面做大到一定程度，对散热效果的增加已经没有意义。对于散热器的齿片也是一样，齿根处温度较高，齿尖处只有很少的热量到达，所以增高齿片到一定程度，对散热也毫无用处。
所以，要解决大功率产品的空气冷却问题，唯一有效的办法是，利用很多的元器件，均摊热量，增大有效的散热面积。
当然，采用功耗较小的新一代元器件，或者采用热阻较小的新式散热器，也可以使空气冷却的变频器功率更大，例如，在目前的IGBT封装形式下，原来我们发现，如果不采用器件并联，我们只能做到1800KW/6KV，现在，由于新一代IGBT器件和新式散热器的采用，我们可以做到2300KW/6KV。这是技术研究的另一方面，与上面的分析不矛盾。
那么，为什么我们在2500KW/6KV以上的变频器中采用IGBT并联？并不是因为我们买不到那么大电流的IGBT，而是因为，通过试验我们发现，在现有的技术条件下，如果不采用元器件并联增大有效散热面积，无法将内部的热量用空气带出来，无法保证元器件的温升满足要求。
我们现在研究开发5000KW/6KV的变频器，为什么我们比较有把握？因为原来我们开发的3200KW/6KV变频器，是用15个功率单元带走热量，到了5000KW时，我们把功率单元增加到24个，每个功率单元带走的热量仍旧差不多。
有人又会问：为什么ABB公司不采用元器件并联呢？这是因为，在所有的器件中，只有IGBT和MOSFET是正温度系数，适于并联，IGCT是不适于并联的，所以他们必须采用水冷了。
关于变频器散热的另外一个问题是，把热量从变频器内部带出来以后，如何耗散在大气中。对于水冷装置，需要在室外安装一个水-空冷装置，把热水变成凉水。对于空气冷却的装置，如果散热量较大，需要安装风道，把热空气直接排出室外，否则，热空气会在室内聚集，造成室温升高。以前有的用户考虑用室内空调机降温，事实证明在大功率变频器应用中，需要较大的空调配置，是不经济的。如果用户工厂内有冷却水，我们建议用户采用水-空冷装置，这种装置类似于我们工厂的空调装置，在水管上镶嵌散热片，在水管内通入冷水，冷水的流量要足够大，保证散热片较低的温度，变频器散出来的热风进入散热片，经过散热片后变成了凉风。这种方式可以采用密闭的小屋放置变频器，不用考虑灰尘的影响。
总之，变频器的散热问题有很多的学问，结构设计人员在试验中，发现了很多非常有意思的现象。而变频器的结构设计，往往不是把东西装进去那么简单，需要考虑很多的问题。
高压变频器的冷却方式
高压变频调速系统虽然是一种非常高效的调速装置，但是在运行中，仍然有2%-4%左右的损耗，这些损耗都变成热量，最终耗散在大气中。如何把这些热量顺利的从变频器中带出来，是变频器设计中一个非常重要的问题。
高压变频器的发热部件主要是两部分：一是整流变压器，二是功率元件。功率元件的散热方式是关键。现代变频器一般采用空气冷却或者水冷。在功率较小时，采用空气冷却就能够满足要求。在功率较大时，则需要在散热器中通水，利用水流带走热量，因为散热器一般都有不同的电位，所以必须采用绝缘强度较好的水，一般采用纯净水，它比普通蒸馏水的离子含量还要低。在水路的循环系统中，一般还要加离子树脂交换器，因为散热器上的金属离子会不断的溶解到水中，这些离子需要被吸附清除。
应该说，从散热的角度来说，水冷是非常理想的。但是，水循环系统工艺要求高，安装复杂，维护工作量大，而且一旦漏水，会带来安全隐患。所以，能够用空气冷却解决问题的场合，就不要采用水冷。
空气冷却能够解决的散热功率，毕竟有一个极限，这个极限与技术类别有关。比如，ABB公司的ACS1000系列三电平变频器，规定在2000KW以上就必须采用水冷，而美国的罗宾康公司和AB公司，对于3200KW/6KV的变频器，仍然采用空气冷却。这又是为什么呢？
原来，空气冷却能够从设备中带出来的热量，与有效散热面积的大小有关系，散热面积越大，能够带走的热量就越多。元器件的数目越多，散热的面积就越大，空气冷却的效果就越好。对于6KV的变频器，比3KV的变频器器件数目多，而且单只器件的电流小，所以可以有较大的散热面积，相当于热量均分了。
有人会说，我增大散热器的面积，不就增大了散热面积了吗？我公司产品开发部的试验证明了这是一个悖论。电力电子元件的热量按照如下方式传导：沿散热器表面散开，再沿表面传递到散热片上，被空气带走。沿散热器表面散开的面积是非常有限的，离开元件较远处，已经基本感受不到热量，所以把散热器表面做大到一定程度，对散热效果的增加已经没有意义。对于散热器的齿片也是一样，齿根处温度较高，齿尖处只有很少的热量到达，所以增高齿片到一定程度，对散热也毫无用处。
所以，要解决大功率产品的空气冷却问题，唯一有效的办法是，利用很多的元器件，均摊热量，增大有效的散热面积。
当然，采用功耗较小的新一代元器件，或者采用热阻较小的新式散热器，也可以使空气冷却的变频器功率更大，例如，在目前的IGBT封装形式下，原来我们发现，如果不采用器件并联，我们只能做到1800KW/6KV，现在，由于新一代IGBT器件和新式散热器的采用，我们可以做到2300KW/6KV。这是技术研究的另一方面，与上面的分析不矛盾。
那么，为什么我们在2500KW/6KV以上的变频器中采用IGBT并联？并不是因为我们买不到那么大电流的IGBT，而是因为，通过试验我们发现，在现有的技术条件下，如果不采用元器件并联增大有效散热面积，无法将内部的热量用空气带出来，无法保证元器件的温升满足要求。
我们现在研究开发5000KW/6KV的变频器，为什么我们比较有把握？因为原来我们开发的3200KW/6KV变频器，是用15个功率单元带走热量，到了5000KW时，我们把功率单元增加到24个，每个功率单元带走的热量仍旧差不多。
有人又会问：为什么ABB公司不采用元器件并联呢？这是因为，在所有的器件中，只有IGBT和MOSFET是正温度系数，适于并联，IGCT是不适于并联的，所以他们必须采用水冷了。
关于变频器散热的另外一个问题是，把热量从变频器内部带出来以后，如何耗散在大气中。对于水冷装置，需要在室外安装一个水-空冷装置，把热水变成凉水。对于空气冷却的装置，如果散热量较大，需要安装风道，把热空气直接排出室外，否则，热空气会在室内聚集，造成室温升高。以前有的用户考虑用室内空调机降温，事实证明在大功率变频器应用中，需要较大的空调配置，是不经济的。如果用户工厂内有冷却水，我们建议用户采用水-空冷装置，这种装置类似于我们工厂的空调装置，在水管上镶嵌散热片，在水管内通入冷水，冷水的流量要足够大，保证散热片较低的温度，变频器散出来的热风进入散热片，经过散热片后变成了凉风。这种方式可以采用密闭的小屋放置变频器，不用考虑灰尘的影响。
总之，变频器的散热问题有很多的学问，结构设计人员在试验中，发现了很多非常有意思的现象。而变频器的结构设计，往往不是把东西装进去那么简单，需要考虑很多的问题。
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