一种低压变频器的结构设计

 1引言
    本文以160kW/380V通用变频器为例，分别从功耗计算，通风量计算，散热器的设计，风道的设计，防腐蚀设计等几方面阐述了在特殊环境条件下的结构设计的一般过程。
2 160kW/380V变频器功率损耗（以下简称：功耗）计算
2.1  160kW/380V变频器的主回路功耗计算
2.1.1 160kW/380V变频器的IGBT功耗计算
 变频器选用型号为FF400R12KE3 的IGBT模块共6件，IGBT功耗为：

② 续流二极管的开关功耗包括在IGBT的ESW(on) 之中。
(5)每一IGBT(两个桥臂)总功耗为：
   2×PA=2×( PC+ PD )=2×( PSS+ PSW+PD )=2×(189.4+23.1)=425(W)
 (6) 6个IGBT总功耗为：
425×6=2550(W)
符号注释：
VCE(sat): T=125℃，峰值电流ICP下IGBT的饱和压降；VCE(sat)=2V。
ESW(on)：T=125℃；峰值电流ICP下，每个脉冲对应的IGBT开通能量，ESW(on)=25mJ。
ESW（off）：T=125℃；峰值电流ICP下，每个脉冲对应的IGBT关断能量，ESW（off）=62mJ。
fSW：变频器每臂的PWM开关频率（通常fSW=fC），取值为2kHz。
ICP：正弦输出的电流峰值，ICP =400A。
VEC：IEP情况下，续流二极管的正向压降，VEC =0.7V。
D：PWM信号占空比，取值为0.5。
θ：输出电压与电流间的相位角，（功率因数= ）。
  平均结温的估算：
IGBT的最大结温是150℃，在任何情况下都不能超过该值。
   Tj=Tc+PT×Rth(j-c)        Rth(j-c)可以在数据手册中查到。
    =75+425×0.062
    ≈101℃<150℃
 Rth(j-c)=标定的结壳热阻
Tj=半导体结温
PT=器件的总平均功耗（PSW+PSS）
Tc=模块的基板温度。设定Tc=75℃时，变频器温升保护。
2.1.2整流模块功耗计算
 变频器选用型号为ZXQ400A-1200V的3只，可控硅模块选用KZQ600-1200V的1只，整流模块和可控硅模块总功耗按IGBT模块的三分之一计算。
2.2 变频器总功耗计算
 考虑主回路杂散电感及其他发热元件对模块的影响，总功耗约为：
2550×1.33×1.2=4070(W)。
3 通风量计算
     整机通风系统的通风量按热平衡方程进行计算。
Q热'=Cp×ρ×q风×Δt
 q风= Q热'×60/(Cp×ρ×Δt)
式中：    CP     空气的比热（J∕kg?℃）1005J/(kg?K)；
          ρ    空气的密度（kg/m3） 1.06kg/m3；
          q风    通风量（m3∕min）；
          Q热'    风机带走的热量（W）， Q热 ×90%；
          △t   空气出口与进口温差（℃）  一般是10℃～15℃；
q风= Q热'×60/(Cp×ρ×Δt)
 =90%×Q热×60/(1005×1.06×△t)
 =0.051×Q热/△t=0.051×4070/10
 =20.8 (m3/min)
 =1248(m3/h)
  式中 P为变频器额定功耗（kW）。整机通风量需1248 m3/h。按照1.5～2倍的裕量选择风机的最大风量。
     综合考虑噪音，能耗，稳定性等因素选用德国EBM轴流风机W2E300-CP02-30。
4  散热器的设计
 按照器件均匀布置的原则，所需散热片宽度约为300～400mm，选400mm；长度约为450～600mm.选480mm。
 设环境温度为Ta。散热器的配置目的，是必须保证它能将元件的热损耗有效地传导至周围环境，并使其热源＿即结点的温度不超过Tj。用公式表示为 ：
P < Q =(Tj-Ta )/R ①
 (热量的消散除对流传导外，还可辐射。)
     而热阻又主要由三部分组成：
R = Rjc+Rcs+Rsa ②
 Rjc：结点至管壳的热阻；
Rcs：管壳至散热器的热阻；
Rsa：散热器至空气的热阻。
    其中，Rjc与元件的工艺水平和结构有很大关系，由制造商给出。
    Rcs与管壳和散热器之间的填隙介质（导热硅脂）、接触面的粗糙度、平面度以及安装的压力等密切相关。介质的导热性能越好，或者接触越紧密，则Rcs越小。
(参考值：一般可考虑Rcs≈0.1Rjc)
     Rsa是散热器选择的重要参数。它与材质、材料的形状和表面积、体积、以及空气流速等参量有关。
    综合①和②，可得
Rsa <〔( Tj-Ta )/P〕-Rjc-Rcs ③
    上式③即散热器选配的基本原则。
 型材散热器表面积计算，如图1所示。

 A=UL
式中：U   散热器翅片横截面的周长，单位 cm，U=(15.7+140+8)×43÷10=703.91cm
        L   散热器的长度，单位cm，48cm
 A=703.91×48=33787.68(cm2)
散热器表面的热流密度
 Q热/A=4070/33787.68=0.12(W/cm2)>>0.039W/cm2
散热器的热阻计算
RSa=L/KA,将L=48；K=0.216；A=33787.68,带入得RSa=0.007
 ( Tj-Ta )/P-Rjc-Rcs
 =(125-50)/499.6-0.062-0.031
 =0.057> RSa
减少接触热阻的主要措施：
 （1）紧固两个接触表面的接触压力。
 （2）提高两个接触表面的加工精度。
 （3）两个接触表面之间充填导热硅脂或导热橡胶等垫层。
 （4）在结构强度许可的条件下，选用较软的材料制作散热器。
 减小散热器热阻的主要措施有：
 （1）合理选用散热器的结构形式.从热流线的分布规律来看，最好的散热片肋片形状应为流线型。
 （2）肋片散热器的安装应使肋片的纵向与气流方向相一致。
 （3）散热器的表面应进行工艺处理：如黑色阳极氧化；绝缘导热涂层；镀铬酸盐等。
5 风道的设计
     通风道设计的基本原则：
   （1）通风道应尽量短而直，尽量避免采用急拐弯和弯曲管道。
   （2）应尽可能避免管道进出口的突然扩张和收缩。
   （3）应尽量使矩形管道接近正方形。矩形管道长短边之比应小于6：1。
   （4）优先采用密封管道。管道内壁的连接处应光滑，顺气流方向搭接。
   （5）进出风口应设滤尘装置。
 风道应根据机箱（柜）的阻力特性以及所选风机的类型、风量。确定配置的工作点，再进行合理的风量分配，最后决定风道的结构尺寸和进、出风口的大小。根据以上的设计原则，本结构采用独立风道设计，将散热片，电解电容，延时电阻等发热器件直接放在进风口，风道与其他部分密封隔离，保证腐蚀性气体不进入变频器结构内部，既能解决散热通风，又做到了防腐蚀保护。
6整机防腐蚀设计
     一般变频器适用环境为－10℃～＋40℃，工作环境的温度变化应不大于±5℃/h。空气的最大相对湿度不超过90％，每小时相对湿度的变化率不超过5％且不得出现凝露。避免日晒雨淋。运行地点无导电或爆炸尘埃,无腐蚀金属或破坏绝缘的气体或蒸气，振动频率10～150Hz，振动加速度不大于5m/s2，无三防要求。本结构设计适用于有腐蚀性气体的环境。设计准则：正确选择材料；合理的结构设计；稳定的加工、装联工艺；选用或建立有效合理的防护体系。
 （1）材料的选择：壳体及支撑性金属结构件选用优质冷轧钢板，采用室外三防塑粉喷塑处理；导电金属件选用优质紫铜板，镀镍处理。铜排间采用环氧树脂板做覆层绝缘处理，输入输出接线铜排采用环氧树脂板（棒）做支撑件。
 （2）结构设计：如图2所示，采用独立风道，将主回路单元及驱动部分做密封处理；控制线路板采用金属屏蔽盒固定，有机玻璃板做密封；控制变压器，延时电阻，均压电阻放在风道中；直流电抗与主回路单元隔离，加散热风机通风；各密封部件的连线采用电缆夹套。独立风道设计较普通防护的变频器，器件选型和散热器件余量略大一些，具体情况根据现场实际确定。
 （3）所有PCB线路板均做三防漆喷涂处理。安装过程中均佩戴防护手套。设备检验合格后对安装过程中紧固件及温升试验过的线路板做防锈漆喷涂处理。

7 试验
 设备制造检验合格后，按Q/0800SFD005-2010企业标准要求调试试验，各项性能指标均满足要求。
8 结束语
 变频器的结构设计包括广泛的技术内容，是力学，机械学，电学，光学，环境学，人机工程学等学科的综合应用。变频器采用独立风道密封设计，可以提高变频器的防护等级，延长变频器的使用寿命，增强对恶劣环境的适用性能。
 作者简介
 孔亮   男  工程师 在山东新风光电子科技发展有限公司从事新产品研发、大功率变流器结构设计工作。
 
参考文献
1.《High Power Semiconductors for Industrial Applications Short Form Catalog》2006
 2. 《Q/0800SFD005-2010  山东新风光电子科技发展有限公司企业标准》2010
 3.《JD-BP风光低压变频器使用说明书 V3.0》2009