QQ客服热线

行业新闻

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。