中压矿用变频器主电路损耗分析及散热设计_图文

1、墨互墨昼互曩置目巨蓄星团堡窒皇差多中压矿用变频器主电路损耗分析及散热设计李文顶，莫锦秋，曹家勇（上海交通大学机械与动力工程学院，上海）宰摘要：对矿用变频器主电路器件损耗做了全面分析，用线性近似法对进行损耗分析，分析了功率器件内部热源与外界环境之闻的热流路径，并在此基础上设计出了水冷散热器。实验表明，该散热设计使变频器具有很好的散热效果。可满足工业实际应用的要求。关键词：；功率损耗；热流路径；散热设计中图分类号：文献标识码：文章编号：（）近年来，能源消耗、能源价格不断增长，企业的成本压力明显增大，作为节能降耗的一种重要手段，变频调速技术越来越受到生产厂家的欢迎。目前国内外通用变频器技术已经很成熟

2、，但是在煤矿矿井特殊工况下通用变频器就显得捉襟见肘了，矿用防爆变频器就是为这种特殊工况研制的。在变频器研制过程中，必须认真地考虑散热的问题。变频器的故障率随温度的升高而成指数的上升，使用寿命随温度升高而成指数下降，环境温度升高，变频器平均使用寿命减半。在变频器工作时，流过变频器的电流是很大的，变频器产生的热量也是非常大的，不能忽视其发热所产生的影响。本文对矿用变频器主电路功率损耗作了全面分析，并在分析热流路径的基础上设计出了水冷散热器。主电路器件损耗分析矿用变频器的主电路包括整流部分、逆变部分和中间电路，主电路如图所示，其中整流模块、晶闸管和逆变模块为主要发热功率器件，采用不可控整流方式，三个

3、整流模块，每个模块上集成有两个二极管。逆变管的导通、关断由脉冲控制，三个逆变模块，每个模块上集成有两个和两个续流二极管。二极管和晶闸管的损耗计算相对简单，而逆变模块牵涉到高频率的开通关断和续流二极管，是计算的难点。由于逆变器的结构是对称的，各相与二极管电流和电压曲线的形状是相同的，它们相互问仅仅存在一个固定的相位差。因此只要对一个和一个二极管进行功耗分析就足够了。将分析的结果再乘以逆变器中相应的与二极管数量就可以得到逆变器的功耗。整流模块的结构也是对称的，可采用同样的方法。图变频器主电路逆变模块矿用变频器主电路的核心部件的损耗分为导通损耗和开关损耗。由于工作频率很高，开关损耗不容忽略。由于采取

4、矢量控制策略，即使电路工作在稳态时候，的占空比和负载电流也都不是常数，而是随着交流输出的基波频率而变化，这就使得功耗的分析非常复杂化。实验表明下属线性简化的分析方法可以提供足够准确的结果。通态损耗的输出特性如图所示。如果对输出特性以，矾进行线性化，则产生在和二极管上的压降分别为【】：上海交通大学与煤炭科学研究总院上海分院合作项目“防爆型矿用大功率变频器研究”（妄兰皇茎垄墨昌墨口互四蛋图团、，锄。，。间为（，为额定值）：忙一。开关电流对下降时间的影响却没有对上升时间那么显著，下降时间可用如下公式近似垆（丁普）钿。对开关时间积分可得一次开通关断损耗为屁艚：晶。在一个周期内的平均损耗为：既艚谚弓瓦胁

5、挑咋了。自仪。图典型输出特性（），（）。（）、，（），其中锄和分别为和二极管的开启电压，和分别为和二极管的通态电阻（输出特性的斜率）。采用正弦波调制信号，所以，和二极管的通态损耗可由下式计算得出：易例，：船）。开关损耗影响模块的开关损耗的因素有很多，如负载电流、母线电压、结温、门极电压、门极电阻，它们对开关损耗都存在不同程度的影响。图为公司的模块在额定工作情况下，负载电流和门极电阻对开关损耗的影响。栅极发射极间电压伍，集电极发射极间电压江，结温。，寄生电容（。是山只产暑器税）图负载电流和门极电阻对开关损耗的影响典型开关波形如图所示。的特性与试验数据表明，上升时间可看成与开关电流成正比，由此可根

6、据额定上升时间求出实际工作时的上升时间，实际上升时图开关波形整流模块和晶闸管损耗功率计算矿用变频器主电路采用不控整流方式，整流二极管的开通、关断仅和三相输入电流波形有关，每个二极管的功率损耗为通过它的平均电流与其压降的乘积即：，通过晶管的是整流后的直流电流，其功率损耗为该直流电与压降的乘积即：热流路径分析设备的冷却方式分为风冷、水冷和热管冷却，矿用防爆变频器外面装有防爆壳，不能提供很好的空气流通，热管冷却成本很高，由于液体的导热系数及比热均比空气大，是一种比较好的冷却方法。液体冷却可分为直接液体冷却（发热器件直接与水进行热交换）和间接液体冷却（通过冷板进行热交换）。考虑到工程实际，对中压变频器

7、采用问接水冷，将发热器件用螺栓直接装在金属冷板上，金属板中布有管道，可供冷却液体流通。热量的传递是自然界中的一种能量转移过程，它与自然界中其它转移过程，如电量的转移、动量的转移、质量的转移有类似之处。各种转移过程的共同规律性可归结为：过程中的转移萤过程的动力过程的阻力。类似电传输过程中的电阻可将热转移过程中的阻力称为热阻引。弄清热流路径是进行散热设计的基础，器件的热量首先是从结到壳的，这一热阻如。是由器件模块本身决定的，但是此处的热阻越小就说明散热设计的余量就越大。器件模块与冷板表面接触时，由于制造精度总是存在的，并不存在实际的理想平面，这就使得同体对固体的墨至：翟墨冒墨墨目臣目重：圈婴窒皇差

8、多接触仅仅发生在一些离散的面积上。虽然界面间隙充满空气流体，但是间隙较薄界面温差又不大，对流难于开展。使得热流线收缩只从那些离散的接触面积通过。为了使导 ：功率损耗氏，芝鬻篇激散热器外壳溢度血（外界疆座邺蝻壳之卿的热阻黜壳教热器之阃的热阻廿（劬嘲酊教热嚣与外界之问的热阻图热流模型热更加从分，实际使用时需要在接触表面图上导热性能较好的导热胶胶。这一部分热阻龇书为壳到冷板闻热阻。热量通过冷板散发到外界环境中去，尺（，吨）为冷板与外界之间的热阻。功率器件的热传导可以将它变换为电路予以解释。根据上述的热阻分析，将热量的传递转换为如图所示的等效电路。通过上述的等效电路，结温乃为：乃哦）（哪尺（）瓦，其中

9、为外界环境温度。散热冷板设计 矿用变频器散热设计的目的是为了保证电子器件在正常工作时候结温不超过额定值，在已知器件损耗和结温额定值的情况下就能根据器件内部热阻求出壳温的极限值。这一极限值为：。一一，其中为器件允许的最高结温，为总损耗。而冷板设计就能归结为确定一组参数（包括冷板内孔径和冷却液流量等）而使得器件的壳温不超过这一极限值。器件热量被冷却液体带出外界环境的过程中引起的温升可分为四个阶段，晶体管壳体到散热器表面间的晶体管安装接触面的温升，接触面上使用硅脂，从晶体管到冷却剂管道间的铝冷却的温升如，从管壁到液体冷却剂间的液体冷却剂对流薄膜的温升血，当液体流经冷板吸收晶体管的热时。冷却剂的温升她

10、，则元件外壳的温度为出山。和如都属于热传导部分，根据傅立叶定律，由于是稳态导热，单位时间内通过的导热热量与温度的变化率。及截面面积成正比，币一罟，其中为传递热量，似为截面面积，常数，通过变量分离积分能求得传递热量引起的温升。，属于对流换热。与流体流动状态有关，必须先根据雷诺数确定冷却液是层流还是紊流继而求得对流换热系数。然后根据牛顿冷却公式中确定对流换热引起的温度变化，其中为接触面积。她与冷却液体的比热和流量有关，可有重量流量方程形车确定，形为重量流量，为冷却液比热。硅胶的厚度，热量在对流换热前流经冷板的距离，冷板中可供冷却液流过的孔径及液体的流量等因素共同影响着上述壳温极限值。对涉及到的参数

11、进行编程，能求出不同设计值时的温升，从而选出一组最佳参数。图为进行变频器冷板设计时编制的程序界面。图程序界面结论用上述方法为矿用变频器主电路设计出的水冷变频器冷板如图所示。图散热器实体图将该功率损耗计算方法及散热设计应用于实际开发的矿用变频器中。实验表明了该方法的精确性和可行性。同时该方法可以推广到其它变频器的功率损耗计算，散热设计方法也适用于其它功率器件。参考文献：王建渊，钟彦儒，伍文俊，等改善大功率防爆型变频器散热性能的研究西安理工大学学报，（）：。，。（）：【：斯坦伯格电子设备冷却技术北京：航空工业出版社。第一作者简介：李文顶，男，年生，河南周口人，硕士研究生。研究领域：机电设备设计。（编辑：梁玉） 中压矿用变频器主电路损耗分析及散热设计作者：李文顶， 莫锦秋， 曹家勇， LI Wen-ding， MO Jin-qiu， CAP Jia-yong作者单位：上海交通大学机械与动力工程学院,上海,200240刊名：机电工程技术英文刊名：MECHANICAL & ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGY年，卷(期：2009,38(7参考文献(4条1. D S 斯坦伯格 电子设备冷却