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低壓通用變頻器的結構設計

2014-04-14 15:22:45

  低壓通用變頻器的結構設計
  The Structural Design of Low-voltage General-Purpose Inverters

  山東新風光電子科技發展有限公司 孔亮
  Kong  Liang

  摘  要:本文以160kW/380V通用變頻器為例,給出了低壓通用變頻器結構設計的一般過程:包括熱設計;通風量的計算;散熱器的設計,風道的設計及整機三防設計。
  關鍵詞:變頻器;功率損耗;熱阻;風道
  Abstract: This paper 160kW/380V general-purpose inverters, for example, gives low-voltage general-purpose inverters general process of structural design: including thermal design; ventilation rate calculation; radiator design, duct design and machine design of three anti-.
  Key words: Inverter  Power consumption  Thermal resistance   Wind tunnel
  1引言
  變頻器的結構設計包括廣泛的技術內容,是力學,機械學,電學,光學,環境學,人機工程學等學科的綜合應用。本文以160kW/380V通用變頻器為例,分別從功耗計算,通風量計算,散熱器的設計,風道的設計,三防設計等幾方面闡述了結構設計的一般過程。
  2 160kW/380V變頻器功率損耗(以下簡稱:功耗)計算
  2.1  160kW/380V變頻器的主回路功耗計算
  2.1.1  160kW/380V變頻器的IGBT功耗計算
  變頻器選用型號為FF400R12KE3 的IGBT??楣?件,IGBT功耗為:

\

 ?。?)二極管的功耗為:
 ?、?每一個二極管的穩態功耗
  PD=IEP×VEc×()=400×0.7×0.0825=23.1(W)
 ?、?續流二極管的開關功耗包括在IGBT的ESW(on) 之中。
 ?。?)每一IGBT(兩個橋臂)總功耗為:
  2×PA=2×( PC+ PD )=2×( PSS+ PSW+PD )=2×(199.1+23.1)=444.4(W)
 ?。?) 6個IGBT總功耗為:
  444.4×6=2666.4(W)
  符號注釋:
  VCE(sat): T=125℃,峰值電流ICP下IGBT的飽和壓降;VCE(sat)=2V
  ESW(on):T=125?C;峰值電流ICP下,每個脈沖對應的IGBT開通能量。ESW(on)=25mJ
  ESW(off):T=125?C;峰值電流ICP下,每個脈沖對應的IGBT關斷能量。ESW(off)=62mJ
  fSW:變頻器每臂的PWM開關頻率(通常fSW=fC)。取值為2KHz
  ICP:正弦輸出的電流峰值。ICP =400A
  VEC:IEP情況下,續流二極管的正向壓降。VEC =0.7V
  D:PWM信號占空比。取值為0.5
  θ:輸出電壓與電流間的相位角。(功率因數=COSθ)
  平均結溫的估算
\
  Rth(j-c)=標定的結殼熱阻
  Tj=半導體結溫
  PT=器件的總平均功耗(PSW+PSS)
  TC=??櫚幕邐露?。設定TC=75℃時,變頻器溫升?;?。
  2.1.2  整流??楣募撲?br />   變頻器選用型號為ZXQ400A-1200V的3只,可控硅??檠∮肒ZQ600-1200V的1只,整流??楹涂煽毓枘?樽芄陌碔GBT??櫚娜種患撲?。
  2.2 變頻器總功耗計算
  考慮主回路雜散電感及其他發熱元件對??櫚撓跋?,總功耗約為:
  2666.4×1.33×1.2=4256(W)。
  3 通風量計算
  整機通風系統的通風量按熱平衡方程進行計算。
  Q熱‘=Cp×ρ×q風×Δt
  q風= 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    通風量(m3∕min);
  Q熱‘    風機帶走的熱量(W), Q熱 ×90%;
  △t   空氣出口與進口溫差(℃)  一般是10℃~15℃;
  q風= Q熱’×60/(Cp×ρ×Δt)
  =90%×Q熱×60/(1005×1.06×△t)
  =0.051×Q熱/△t=0.051×4256/10
  =21.7 (m3/min)
  =1302(m3/h)
  式中 P為變頻器額定功耗(kW)。整機通風量需1302 m3/h。按照1.5~2倍的裕量選擇風機的最大風量。
  綜合考慮噪音,能耗,穩定性等因素選用德國EBM軸流風機W2E300-CP02-30
  4  散熱器的設計
  按照器件均勻布置的原則,所需散熱片寬度約為300~400mm,選400mm;長度約為450~600mm.選480mm。
  設環境溫度為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至周圍環境,并使其熱源_即結點的溫度不超過Tj。用公式表示為
  P < Q =(Tj-Ta )/R ①
 ?。ㄈ攘康南⒊粵鞔紀?,還可輻射。)
  而熱阻又主要由三部分組成:
  R = Rjc+Rcs+Rsa ②
  Rjc:結點至管殼的熱阻;
  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構有很大關系,由制造商給出。
  Rcs與管殼和散熱器之間的填隙介質(導熱硅脂)、接觸面的粗糙度、平面度以及安裝的壓力等密切相關。介質的導熱性能越好,或者接觸越緊密,則Rcs越小。
 ?。ú慰賈擔閡話憧煽悸荝cs≈0.1Rjc)
  Rsa是散熱器選擇的重要參數。它與材質、材料的形狀和表面積、體積、以及空氣流速等參量有關。
  綜合①和②,可得
  Rsa <〔( Tj-Ta )/P〕-Rjc-Rcs ③
  上式③即散熱器選配的基本原則。
  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,單位 cm:U=(15.7+140+8)×43÷10=703.91cm
  L   散熱器的長度,單位cm:48cm
  A=703.91×48=33787.68(cm2)
  散熱器表面的熱流密度
  Q熱/A=4256/33787.68=0.126(W/cm2)》0.039W/cm2
  散熱器的熱阻計算
  RSa=L/KA,將L=48;K=0.216;A=33787.68,帶入得RSa=0.007
 ?。?Tj-Ta )/P-Rjc-Rcs
  =(125-50)/499.6-0.062-0.031
  =0.057> RSa
  減少接觸熱阻的主要措施:
 ?。?)緊固兩個接觸表面的接觸壓力。
 ?。?)提高兩個接觸表面的加工精度。
 ?。?)兩個接觸表面之間充填導熱硅脂或導熱橡膠等墊層。
 ?。?)在結構強度許可的條件下,選用較軟的材料制作散熱器。
  減小散熱器熱阻的主要措施有:
 ?。?)合理選用散熱器的結構形式。從熱流線的分布規律來看,最好的散熱片肋片形狀應為流線型。
 ?。?)肋片散熱器的安裝應使肋片的縱向與氣流方向相一致。
 ?。?)散熱器的表面應進行工藝處理:如黑色陽極氧化;絕緣導熱涂層;鍍鉻酸鹽等。
  5 風道的設計
  通風道設計的基本原則:
 ?。?)通風道應盡量短而直,盡量避免采用急拐彎和彎曲管道。
 ?。?)應盡可能避免管道進出口的突然擴張和收縮。
 ?。?)應盡量使矩形管道接近正方形。矩形管道長短邊之比應小于6:1。
 ?。?)優先采用密封管道。管道內壁的連接處應光滑,順氣流方向搭接。
 ?。?)進出風口應設濾塵裝置。
  風道應根據機箱(柜)的阻力特性以及所選風機的類型、風量。確定配置的工作點,再進行合理的風量分配,最后決定風道的結構尺寸和進、出風口的大小。
  6整機三防設計
  設計準則:正確選擇材料;合理的結構設計;穩定的加工、裝聯工藝;選用或建立有效合理的防護體系。
 ?。?)材料的選擇:殼體及支撐性金屬結構件選用優質冷軋鋼板,采用室外三防塑粉噴塑處理;導電金屬件選用優質紫銅板,鍍鎳處理。銅排間采用環氧樹脂板做覆層絕緣處理,輸入輸出接線銅排采用環氧樹脂板(棒)做支撐件。
 ?。?)結構設計:采用獨立風道,將主回路單元及驅動部分做密封處理;控制線路板采用金屬屏蔽盒固定,有機玻璃板做密封;控制變壓器,延時電阻,均壓電阻放在風道中;直流電抗與主回路單元隔離,加散熱風機通風;各密封部件的連線采用電纜夾套。
 ?。?)所有PCB線路板均做三防漆噴涂處理。安裝過程中均佩戴防護手套。設備檢驗合格后對安裝過程中緊固件及溫升試驗過的線路板做防銹漆噴涂處理。
  7 試驗
  設備制造檢驗合格后,按通用變頻器的試驗規范調試試驗。
  8 結束語
  變頻器采用獨立風道密封設計,可以提高變頻器的防護等級,延長變頻器的使用壽命,增強對惡劣環境的適用性能。

 

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