變頻器損耗計(jì)算及散熱分析

楊斌　韓飛

摘 要：變頻器的損耗計(jì)算和散熱，是比較重要的兩項(xiàng)內(nèi)容，分析好損耗與散熱，才能保證變頻器的有效性，避免增加變頻器的能耗。本文主要結(jié)合變頻器運(yùn)行，探討損耗計(jì)算與散熱。

關(guān)鍵詞：變頻器；損耗計(jì)算；散熱

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)事業(yè)的發(fā)展，能耗以及能源價(jià)格等，也得到了明顯的提升，直接增加了企業(yè)的消耗成本?；诠?jié)能降耗的思想，變頻器方面，提高了對(duì)損耗計(jì)算以及散熱分析的重視度，一方面研制節(jié)能降耗型的變頻器，另一方面提高維護(hù)變頻器的性能，延長(zhǎng)其在行業(yè)中的使用壽命，避免變頻器運(yùn)行中出現(xiàn)安全問(wèn)題。

一、變頻器的系統(tǒng)分析

（一）環(huán)境設(shè)定

變頻器的機(jī)箱外部，如環(huán)境溫度是35℃，而空氣之間的換熱系數(shù)，就要設(shè)計(jì)成5W/m2·K，絮流的氣流狀態(tài)，速度是0.5m/s，按照變頻器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，求出環(huán)境設(shè)定的數(shù)值，其中求解過(guò)程中，箱體的體系是定義的10倍，迭代求解的次數(shù)是400。

（二）建立模型

變頻器的損耗計(jì)算與散熱分析中，構(gòu)建系統(tǒng)化的模型，包括變頻器建模、散熱器建模以及風(fēng)扇建模，目的是利用建模實(shí)現(xiàn)變頻器的準(zhǔn)確研究[ 1 ]。例如：變頻器的系統(tǒng)建模，會(huì)根據(jù)實(shí)際變頻器的參數(shù)，輸入到模型中，如變頻器的底面，選用鋁或銅的材料，厚度是3mm，等，在建模后，變頻器的一面，必須緊緊貼著散熱器，散熱器的建模中，選用的是肋片結(jié)構(gòu)，每個(gè)肋片的間距是7mm，根部的厚度，保持在15mm，可使用的規(guī)格為675.6mm×652mm×73mm。

（三）劃分網(wǎng)格

變頻器系統(tǒng)中，通過(guò)網(wǎng)格規(guī)劃，研究散熱器與熱源的關(guān)系，可以使用粗糙網(wǎng)格的方式，規(guī)劃好變頻器系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格，加強(qiáng)整體網(wǎng)格劃分后的分布與控制情況，規(guī)避網(wǎng)格劃分中潛在的誤差，進(jìn)而優(yōu)化變頻器的系統(tǒng)研究。

二、變頻器的損耗計(jì)算

變頻器損耗計(jì)算時(shí)，需要建立相關(guān)的損耗模型，根據(jù)變頻器的各個(gè)開關(guān)，構(gòu)建復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，期間涉及到大規(guī)模的計(jì)算量[ 2 ]。一般情況下，變頻器的損耗計(jì)算，選擇在比較典型的溫度狀態(tài)，如：25℃，125℃，在重要的參數(shù)下，涉及損耗的模型。

變頻器的損耗，主要體現(xiàn)在通態(tài)損耗以及開關(guān)損耗方面，利用公式可以表述為：

PT=Pcon，T +Psw，T

上述公式中，PT=變頻器損耗、Pcon，T =通態(tài)損耗、Psw，T =開關(guān)損耗。變頻器損耗的初始計(jì)算中，飽和壓降與通態(tài)電阻，均會(huì)產(chǎn)生損耗，而且變頻器的功率器件，其在通電導(dǎo)電的期間，也會(huì)引起通態(tài)損耗[ 3 ]。變壓器損耗計(jì)算中，通態(tài)電阻的實(shí)際大小，其會(huì)隨著溫度的變化，表現(xiàn)出線性的變化方式，在此基礎(chǔ)上，表述初始飽和壓降、通態(tài)電阻以及通態(tài)損耗的技術(shù)公式，如下：

v0，T=v0，T25℃+Kv0，T（Tvj，T-25），

rT=rT25℃+Kr，T（Tvj，T-25），

Pcon，T=v0，TI+rTI2。

上述一組公式中，v0，T25℃表示變頻器在25℃的溫度狀態(tài)下，結(jié)溫初始飽和壓降與通態(tài)電阻、rT25℃表示變頻器初始飽和壓降與通態(tài)電阻的溫度中，所應(yīng)用的修正系數(shù)、Kv0，T與Kr，T是變頻器的結(jié)溫、I是變頻器運(yùn)行中的瞬時(shí)電流值。

變頻器運(yùn)行中，開通、關(guān)段的期間，都會(huì)伴隨著開關(guān)損耗，需在特殊的測(cè)試狀態(tài)內(nèi)，計(jì)算出功率期間在開通、關(guān)斷時(shí)的能耗損失，在變頻器的工作數(shù)據(jù)手冊(cè)中，給出了變頻器在結(jié)溫125℃時(shí)的損耗變化曲線，如果變頻器的結(jié)溫有變化，就需要實(shí)行對(duì)應(yīng)性的修正操作。

三、變頻器的散熱分析

變頻器的散熱分析，分為3個(gè)部分，分別是熱分析曲線、溫度分布和氣流分布，具體分析如下。

（一）熱分析曲線

變頻器的散熱分析中，得出的殘差曲線呈現(xiàn)收斂的狀態(tài)，表明變頻器系統(tǒng)處于散熱穩(wěn)定的狀態(tài)，系統(tǒng)中產(chǎn)生的熱量，都可以正常的散失到變頻器的周圍環(huán)境中。重點(diǎn)分析變頻器采樣點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度，熱分析曲線的上部，表示的是變頻器與散熱器的接觸點(diǎn)，此類數(shù)值與實(shí)際工作溫度相符，就能表明變頻器處于正常的散熱狀態(tài)。

（二）溫度分布

變頻器的內(nèi)部熱流，散熱的過(guò)程中會(huì)集中到變頻器的表面，也就是散熱器與變頻器發(fā)熱模塊直接連接的表面位置。經(jīng)過(guò)散熱分析后，變頻器接觸面的溫度，在110℃上下浮動(dòng)，反饋出了變頻器的散熱狀態(tài)，根據(jù)溫度的浮動(dòng)范圍，判斷變頻器內(nèi)部熱流是否穩(wěn)定。

（三）氣流分布

散熱分析研究中，變頻器的氣流分布，最大的氣流速度區(qū)域，是指風(fēng)扇周圍的空間，速度基本保持在5m/s，而其他區(qū)域中，氣流的速度是相對(duì)比較低的。氣流分布于散熱設(shè)計(jì)存在直接的關(guān)系，用于確保變頻器散熱正常，維護(hù)內(nèi)部電子器件的穩(wěn)定性[ 4 ]。氣流與溫度分布，決定了散熱冷板的設(shè)計(jì)，任何情況下，變頻器都不能超過(guò)額定的結(jié)溫?cái)?shù)值，不能損壞變頻器的電子元件。

綜上所述，變頻器的散熱分析中，涉及到多個(gè)參數(shù)，而散熱器的設(shè)計(jì)，要?dú)w結(jié)為一組參數(shù)，促使變頻器以及電子元件，外殼的保護(hù)溫度，不能超出極限值。變頻器的散熱，需要?jiǎng)澐殖呻A段性的降溫，由此保證變頻器散熱的有效性，避免在變頻器的周圍囤積大量的熱能，完善變頻器的工作環(huán)境。

四、結(jié)語(yǔ)

變頻器的損耗和散熱分析，可以借助市場(chǎng)中比較常用的軟件，采用模擬的途徑，明確變頻器的相關(guān)性能，確保變頻器處于高安全、高性能的運(yùn)行狀態(tài)，避免變頻器的實(shí)際與設(shè)計(jì)發(fā)生誤差，提高變頻器的運(yùn)行水平，合理分析好變頻器的損耗與散熱，防止變頻器在運(yùn)行中出現(xiàn)問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉玉芬，程洪亮.變頻器的熱耗計(jì)算及散熱分析[J].電氣制造，2008，03：60-62.

[2] 王昌南，何鳳有，田明.大功率三電平防爆變頻器散熱分析及計(jì)算[J].工礦自動(dòng)化，2013，01：88-91.

[3] 景巍，譚國(guó)俊，葉宗彬.大功率三電平變頻器損耗計(jì)算及散熱分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，02：134-140.

[4] 李文頂，莫錦秋，曹家勇.中壓礦用變頻器主電路損耗分析及散熱設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2009，07：85-87+181.

作者簡(jiǎn)介：

楊斌（1982-），男，山東煙臺(tái)人，本科，機(jī)械助理工程師（初級(jí)），研究方向：工業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與散熱分析。