高壓變頻器的冷卻方式
高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)雖然是一種非常高效的調(diào)速裝置，但是在運(yùn)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，是變頻器設(shè)計(jì)中一個非常重要的問題。
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(xiàn)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?yàn)樯崞饕话愣加胁煌碾娢?，所以必須采用絕緣強(qiáng)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(tǒng)中，一般還要加離子樹脂交換器，因?yàn)樯崞魃系慕饘匐x子會不斷的溶解到水中，這些離子需要被吸附清除。
應(yīng)該說，從散熱的角度來說，水冷是非常理想的。但是，水循環(huán)系統(tǒng)工藝要求高，安裝復(fù)雜，維護(hù)工作量大，而且一旦漏水，會帶來安全隱患。所以，能夠用空氣冷卻解決問題的場合，就不要采用水冷。
空氣冷卻能夠解決的散熱功率，畢竟有一個極限，這個極限與技術(shù)類別有關(guān)。比如，ABB公司的ACS1000系列三電平變頻器，規(guī)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，空氣冷卻能夠從設(shè)備中帶出來的熱量，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(shù)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(shù)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(dāng)于熱量均分了。
有人會說，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)品開發(fā)部的試驗(yàn)證明了這是一個悖論。電力電子元件的熱量按照如下方式傳導(dǎo)：沿散熱器表面散開，再沿表面?zhèn)鬟f到散熱片上，被空氣帶走。沿散熱器表面散開的面積是非常有限的，離開元件較遠(yuǎn)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(dá)，所以增高齒片到一定程度，對散熱也毫無用處。
所以，要解決大功率產(chǎn)品的空氣冷卻問題，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(dāng)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，原來我們發(fā)現(xiàn)，如果不采用器件并聯(lián)，我們只能做到1800KW/6KV，現(xiàn)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?yàn)槲覀冑I不到那么大電流的IGBT，而是因?yàn)?，通過試驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)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，無法將內(nèi)部的熱量用空氣帶出來，無法保證元器件的溫升滿足要求。
我們現(xiàn)在研究開發(fā)5000KW/6KV的變頻器，為什么我們比較有把握？因?yàn)樵瓉砦覀冮_發(fā)的3200KW/6KV變頻器，是用15個功率單元帶走熱量，到了5000KW時(shí)，我們把功率單元增加到24個，每個功率單元帶走的熱量仍舊差不多。
有人又會問：為什么ABB公司不采用元器件并聯(lián)呢？這是因?yàn)?，在所有的器件中，只有IGBT和MOSFET是正溫度系數(shù)，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問題是，把熱量從變頻器內(nèi)部帶出來以后，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，熱空氣會在室內(nèi)聚集，造成室溫升高。以前有的用戶考慮用室內(nèi)空調(diào)機(jī)降溫，事實(shí)證明在大功率變頻器應(yīng)用中，需要較大的空調(diào)配置，是不經(jīng)濟(jì)的。如果用戶工廠內(nèi)有冷卻水，我們建議用戶采用水-空冷裝置，這種裝置類似于我們工廠的空調(diào)裝置，在水管上鑲嵌散熱片，在水管內(nèi)通入冷水，冷水的流量要足夠大，保證散熱片較低的溫度，變頻器散出來的熱風(fēng)進(jìn)入散熱片，經(jīng)過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。
總之，變頻器的散熱問題有很多的學(xué)問，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)了很多非常有意思的現(xiàn)象。而變頻器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，往往不是把東西裝進(jìn)去那么簡單，需要考慮很多的問題。
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(xiàn)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?yàn)樯崞饕话愣加胁煌碾娢?，所以必須采用絕緣強(qiáng)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(tǒng)中，一般還要加離子樹脂交換器，因?yàn)樯崞魃系慕饘匐x子會不斷的溶解到水中，這些離子需要被吸附清除。
應(yīng)該說，從散熱的角度來說，水冷是非常理想的。但是，水循環(huán)系統(tǒng)工藝要求高，安裝復(fù)雜，維護(hù)工作量大，而且一旦漏水，會帶來安全隱患。所以，能夠用空氣冷卻解決問題的場合，就不要采用水冷。
空氣冷卻能夠解決的散熱功率，畢竟有一個極限，這個極限與技術(shù)類別有關(guān)。比如，ABB公司的ACS1000系列三電平變頻器，規(guī)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，空氣冷卻能夠從設(shè)備中帶出來的熱量，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(shù)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(shù)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(dāng)于熱量均分了。
有人會說，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)品開發(fā)部的試驗(yàn)證明了這是一個悖論。電力電子元件的熱量按照如下方式傳導(dǎo)：沿散熱器表面散開，再沿表面?zhèn)鬟f到散熱片上，被空氣帶走。沿散熱器表面散開的面積是非常有限的，離開元件較遠(yuǎn)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(dá)，所以增高齒片到一定程度，對散熱也毫無用處。
所以，要解決大功率產(chǎn)品的空氣冷卻問題，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(dāng)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，原來我們發(fā)現(xiàn)，如果不采用器件并聯(lián)，我們只能做到1800KW/6KV，現(xiàn)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?yàn)槲覀冑I不到那么大電流的IGBT，而是因?yàn)?，通過試驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)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，無法將內(nèi)部的熱量用空氣帶出來，無法保證元器件的溫升滿足要求。
我們現(xiàn)在研究開發(fā)5000KW/6KV的變頻器，為什么我們比較有把握？因?yàn)樵瓉砦覀冮_發(fā)的3200KW/6KV變頻器，是用15個功率單元帶走熱量，到了5000KW時(shí)，我們把功率單元增加到24個，每個功率單元帶走的熱量仍舊差不多。
有人又會問：為什么ABB公司不采用元器件并聯(lián)呢？這是因?yàn)?，在所有的器件中，只有IGBT和MOSFET是正溫度系數(shù)，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問題是，把熱量從變頻器內(nèi)部帶出來以后，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，熱空氣會在室內(nèi)聚集，造成室溫升高。以前有的用戶考慮用室內(nèi)空調(diào)機(jī)降溫，事實(shí)證明在大功率變頻器應(yīng)用中，需要較大的空調(diào)配置，是不經(jīng)濟(jì)的。如果用戶工廠內(nèi)有冷卻水，我們建議用戶采用水-空冷裝置，這種裝置類似于我們工廠的空調(diào)裝置，在水管上鑲嵌散熱片，在水管內(nèi)通入冷水，冷水的流量要足夠大，保證散熱片較低的溫度，變頻器散出來的熱風(fēng)進(jìn)入散熱片，經(jīng)過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。
總之，變頻器的散熱問題有很多的學(xué)問，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)了很多非常有意思的現(xiàn)象。而變頻器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，往往不是把東西裝進(jìn)去那么簡單，需要考慮很多的問題。
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