变频器散热处理及维护

1 引言
变频器作为一种变流器在运行过程中要产生一定的功耗。由于使用器件不同，控制方式不同，不同品牌，不同规格的变频器所产生的功耗也不尽相同。资料表明变频器的功耗一般为其容量的4~5%。其中逆变部分约占50%，整流及直流回路约40%，控制及保护电路为5~15%。10℃法则表明当器件温度降低10℃，器件的可靠性增长一倍。可见如何处理变频器的散热，降低温升，提高器件的可靠性，从而延长设备的使用寿命，更好的服务于社会是多么重要。
2 散热方式的分类
变频器的散热分为以下几种:自然散热，强迫风冷，水冷。

2.1自然散热
对于小容量的变频器一般选用自然散热方式，其使用环境应通风良好，无易附着粉尘及飘浮物。此类变频器的拖动对象多为家用空调、数控机床之类，功率很小，使用环境比较优良。

另外一种使用自然散热方式的变频器容量并不一定小，那就是防爆变频器。对于此类变频器小容量可以选用一般类型的散热器即可，要求散热面积在允许的范围内尽可能的大一些，散热肋片间距小一些，尽可能的增加热辐射面积。对于大容量的防爆变频器，如使用自然散热方式建议使用热管散热器。热管散热器是近年来新兴的一种散热器，它是热管技术与散热器技术结合的一种产品，它的散热效率极高，可以将防爆变频器的容量做的比较大，可达几百kVA。这种散热器相对普通散热器，所不同之处就是体积相对大，成本高。这种散热方式与水冷方式(后面将论述)相比较还是有优势的:水冷要用水冷器件，水冷散热器以及必不可少的水循环系统等等，其成本比使用热管散热器散热高。业界反映热管散热器性能好，值得推广。


2.2 强迫风冷
强迫风冷是普遍采用的一种散热方式。随着半导体器件的发展，半导体器件散热器也得到了飞速的发展，趋向标准化，系列化，通用化;而新产品则向低热阻，多功能，体积小，重量轻，适用于自动化生产与安装等方向发展。世界几大散热器生产商，产品多达上千个系列，并全部经过测试，提供了使用功率与散热器热阻曲线，为用户准确选用提供了方便。同时散热风机的发展也相当快，呈现出体积小，长受命，低噪声，低功耗，大风量，高防护的特点。如DELTA CPU风扇体积只有25mm×25mm×10mm;日本SANYO长寿命风机可达200000h，防护等级可达IPX5; 更有德国ebm大风量轴流风机，排风量高达5700m3/h。这些因素为设计者提供了非常广阔的选择空间。强迫风冷正是由于使用的器件(风机、散热器)选择比较容易，成本不是太高, 变频器的容量可以做到从几十到几百kVA，甚至更高(采取单元并联方式)才被广为采用。

2.3 水冷
水冷是工业冷却较常用的一种方式。针对变频器这种设备选用该方式散热的很少，因为它的成本高，体积大，再由于通用变频器的容量在几kVA到近百kVA，容量不是很大，很难将性价比做到让用户接受的程度，只有在特殊场合(如需要防爆)以及容量特别大的变频器才采用这种方式。  

2.4 小结
无论采用哪种散热方式，都应根据变频器的容量，确定它的功耗，选择适当的风机，以及适当的散热器，达到优良的性价比，同时也应将变频器所使用的环境因素充分考虑到。针对环境比较恶劣(高温，高湿，煤矿，油田，海上平台)的情况，必须采取相应的措施，确保变频器正常可靠的运行。从变频器本身，应尽可能的避免不利因素的影响，例如针对灰尘、风沙的影响可以进行密封处理，只有散热器风道与外界空气接触，避免了对变频器内部的影响;针对盐雾，潮湿等可以对变频器各部件进行绝缘喷涂处理;野外作业用变频器要加防护，做到防雨，防晒，防雾，防尘;对于高温高湿环境可以增加空调等设备进行降温除湿，给变频器一个良好的环境，确保变频器可靠运行。


3 散热器散热效果及选用原则的讨论
资料表明，散热器表面经电泳涂漆发黑或阳极氧化发黑后，其散热量在自然冷却情况下可提高10~15%，在强迫风冷情况下可提高20~30%，电泳涂漆后表面耐压可达500V~800V。所以在选择散热器及制定加工工艺时，对散热器进行上述工艺处理会大大提高本身的散热能力，还可以增强绝缘性，降低了因安装不当造成的爬电距离过小，电气间隙不够等带来的不利影响。

散热效果优劣与安装工艺有密切关系，安装时尽量增大功率模块与散热器的接触面积降低热阻，提高传热效果。在功率器件与散热器之间涂一层薄薄的导热硅脂可以降低热阻25~30%。如需要在功率器件与散热器之间加绝缘或加垫块来方便安装，建议使用低热阻材料:薄云母，聚酯薄膜或紫铜块，铝块。合理安排器件在散热器上的位置，单件安装时应使器件位于散热器基面中心位置，多件安装时应均匀分布。紧固器件时需保证扭力一致。安装完毕后不宜对器件及散热器再进行机械加工，否则会产生应力，增加热阻。单面肋片式散热器，适于在设备外部作自然风冷，即利于功率器件的通风又可降低机内温度。自然风冷时，应使散热器的断面平行于水平面的方向;强迫风冷时，应使气流的流向平行于散热器的肋片方向。
根据半导体器件的功耗选择散热器，可参考式(1):
Q = (Tj - Ta)÷(Rjc + Rcs + Rsa) (1)
式(1)中: Q—耗散功率 W
Tj—结点(P-N)温度 ℃
Ta—环境空气温度 ℃
Rjc—由结点至管壳热阻 ℃/W
Rcs—由管壳至散热器热阻 ℃/W
Rsa—由散热器表面至环境空气热阻 ℃/W

在多数情况下，除由散热器表面至空气最大热阻Rsa以外，所有上述参数均为已知或者可以得到，因此该参数即为选择散热器的基础。式(1)为一基本公式，可适用于自冷或强冷。在用于强迫风冷式散热器选择的资料中多介绍Rsa; 但对于自冷式ΔTsa(散热器与空气温差)则更为常见。由式(1)可得到如下简化结果:
ΔTsa = (Tj－Ta)－Q(Rjc＋Rcs) (2)
该式已不出现Rsa与Q乘积，而是允许得到最大值 ΔTsa，因而得到能与常见自冷式图形资料进行直接比较的参数。
利用式(1)通过下面的例子来说明如何为一只半导体器件选择散热器。某一只半导体器件其管芯结温在运行时不得超过125℃(TJ)，在环境温度为50℃(TA)时的功耗为10W(Q)，制造商提供的该器件的Rjc为1.5℃/W，Rcs可按 0.09℃/W计算，通过式(1)得到Rsa的表达式: 字串6
Rsa=(Tj－Ta)÷Q－(Rjc＋Rcs) (3)
将已知数代入式(3) Rsa=(125-50)÷10-(1.5＋0.09)
Rsa=5.9℃/W

这就是可用的Rsa最大值，如散热器可提供Rsa较小值即可接受，因为最终的管芯结温将小于125℃规定值。利用Rsa值可以选择各种散热器并了解相应的特性。


4 选择风机的一点经验
根据变频器功耗可选择适当的风机为其散热。根据经验每排出1kW功耗产生的热量, 需要风机的排风量为360m3/h，而变频器的功耗为其容量的4~5%，这里我们按5%计算，可以得到变频器适配风机与其容量的关系:

风机的排风量(m3/h)=变频器容量×5%×360m3/h/kW
我们可根据上面的经验公式为JD-BP32-90J的变频器选择风机，该变频器容量为90kW
风机的排风量(m3/h)=90kW×5%×360m3/h/kW
风机的排风量=1620m3/h
根据此排风量选择风机，通过资料我们选用德国ebm风机,型号为w2e250-cl06-01,其排风量为1730m3/h，这个值大于我们的计算值, 可以选用，实践证明也是可行的。

5 结束语
事实表明处理好变频器的散热不仅要求设计者从变频器本身做到，还要求使用者正确使用 严格按照使用说明进行安装, 有足够的通风空间，适合的使用环境，并且尽可能做到定期维护, 尤其是水泥，煤炭等多粉尘行业，定期给使用环境除尘, 对变频器风道除尘，这样才能使变频器的散热系统发挥正常功能，使变频器的温升在允许值之内，变频器才能可靠运行, 而为企业带来更大的经济及社会效益。