基于熱仿真下低壓變頻器的設(shè)計及分析

王 震

（寶力泰電液傳動控制技術(shù)（杭州）有限公司，杭州 余杭 311000）

1 基于熱仿真下低壓變頻器的設(shè)計思路

基于熱仿真下低壓變頻器的設(shè)計思路，主要分為以下三個部分：

第一部分是利用傳熱學(xué)理論基礎(chǔ)。在傳熱學(xué)的理論基礎(chǔ)之上，通過建立變頻器系統(tǒng)散熱數(shù)學(xué)模型的方式，對其熱傳遞過程以及低壓變頻器的散熱方式展開詳細(xì)分析，以此得出自然對流與強迫空氣對流這兩種不同冷卻方法對于低壓變頻器散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響。

第二部分是詳細(xì)分析低壓變頻器的散熱結(jié)構(gòu)，包括風(fēng)機的應(yīng)用類型、風(fēng)機安裝方式、功率元器件的總體布局以及變壓器整體的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計等。依托新型的風(fēng)道設(shè)計方法，將低壓變頻器主要的發(fā)熱源與PCB板進(jìn)行隔離，從而有效提升低壓變頻器的安全性，延長設(shè)備使用壽命。

第三部分是構(gòu)建熱仿真模型。基于熱仿真下低壓變頻器的模型構(gòu)建，需要借助Icepak軟件來實現(xiàn)，通過分析低壓變頻器散熱結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)整體散熱的影響，利用有限元仿真模擬來計算變頻器功率元器件的實際熱點溫度。

2 基于熱仿真下低壓變頻器的設(shè)計

（1）低壓變頻器的熱損耗?；跓岱抡嫦碌蛪鹤冾l器的設(shè)計主要是指熱設(shè)計，即充分利用熱傳導(dǎo)理論、熱輻射理論以及熱對流理論，將低壓變頻器內(nèi)部元器件所產(chǎn)生的熱量，借助熱阻通路帶出低壓變頻器的外部環(huán)境中，從而更好的滿足低壓變頻器穩(wěn)定工作的實際需求。低壓變頻器大多需要借助內(nèi)部的IGBT模組控制電源模塊的接通與斷開工作，來實現(xiàn)對電機的合理調(diào)控。一般情況下，低壓變壓器的內(nèi)部熱損耗主要涉及到IGBT模塊的熱損耗、晶閘管的熱損耗、電解電容熱損耗以及電抗器是熱損耗等幾部分，其中IGBT的功耗比例最大，最高可以達(dá)到總功率損耗的70%左右。

（2）低壓變頻器的風(fēng)機選擇。對于一些總功耗較高的低壓變頻器來說，單純的依靠控制對流自然冷卻方式來散發(fā)內(nèi)部元器件產(chǎn)生的熱量是不現(xiàn)實的，往往需要借助外在的風(fēng)機通過強迫對流，才能將大部分的熱量從低壓變頻器的內(nèi)部散發(fā)出去。這種情況下，低壓變頻器的風(fēng)機選用工作變得尤為重要。在對低壓變頻器的風(fēng)機進(jìn)行選擇時，需要綜合考慮諸多外界因素其中由于風(fēng)機工作所產(chǎn)生的風(fēng)量與風(fēng)壓是最關(guān)鍵性的因素，需要在設(shè)計過程中對其進(jìn)行額外的關(guān)注。

（3）低壓變頻器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計。基于熱仿真下低壓變頻器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，首先，需根據(jù)變頻器的實際功率元器件IGBT的功耗，計算出變頻器所需散熱器的熱阻，同時通過對低壓變頻器散熱器熱阻與機器外形大小設(shè)計要求分析，反推出變頻器所需散熱器的尺寸大小。其次，在確定低壓變頻器的外形尺寸要求、風(fēng)機大小以及散熱器大小后，對變頻器展開整體結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。一般情況下，在進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，會對變頻器的風(fēng)道設(shè)計以及功率元器件的布局進(jìn)行充分討論，以此來有效提升低壓變頻器整體結(jié)構(gòu)布局的合理性；最后，在完成基本的布局與設(shè)計工作之后，還需要對變頻器的整體進(jìn)行3D建模，為后期的熱仿真提供便利條件。由于IGBT模塊與水接觸容易引發(fā)變頻器的炸機，在設(shè)計過程中還需要將IGBT進(jìn)行完全密封，以此來提高變頻器的整體安全性。

3 結(jié)語

為有效降低低壓變頻器的故障幾率，可以在設(shè)計過程中綜合考慮低壓變頻器的熱損耗、低壓變頻器的風(fēng)機選擇以及低壓變頻器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計等多方面內(nèi)容。只有真正認(rèn)識到低壓變頻器散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要性，才能更好地促進(jìn)我國工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。