變頻柜
變頻器為商業(yè)和工業(yè)電機提供動力和控制，必須根據其設計和應用環(huán)境進行熱保護。變頻器的主要優(yōu)點是靈活的控制、平穩(wěn)的啟動和停機性能，以及在可變負載下運行的離心風機和泵所帶來的顯著節(jié)能。
大多數大功率變頻器及其附屬電子配件都被集成到電氣機柜中，如圖1 所示。變頻器不但提高了系統(tǒng)效率，變頻器本身的效率也非常高，損失只有2% 至4%。然而，由于大功率變頻器中電能轉換很大，即使效率損失較低，也會導致數千瓦到數十千瓦廢熱的產生，必須設法將這些熱量耗散掉。
圖 1: 圖中所示是一個中壓變頻柜。
在開放式風冷機柜中，要想排出這些熱量很簡單。然而，在惡劣環(huán)境中，無法使用過濾風扇冷卻或通過直接的空氣流來冷卻，外殼的熱量管理就成為設計流程的重要組成部分。研究策略，對于在惡劣環(huán)境中高效、被動且經濟地冷卻中、大功率密封外殼的變頻器至關重要。
1、流通或密封
開放式氣流柜可讓環(huán)境空氣流通機柜，直接有效地冷卻大功率模塊。不過，這種高效的冷卻，可能會導致外部污染物進入外殼，通常使用風扇過濾系統(tǒng)，來過濾流入機柜的空氣，從而最大限度地減少這些污染物。過濾器有助于減少灰塵和碎片，但它們需要定期維護來清潔或更換過濾器。
密封外殼不允許外部空氣進入機柜，而是用機柜內的空氣來冷卻電子產品，并通過熱交換器將熱量導出到環(huán)境空氣中。密封外殼可防止污垢、灰塵、濕度、鹽霧和其它空氣中的腐蝕性物質進入機柜，并影響電子元件的使用壽命。
這兩種系統(tǒng)都適用于低功耗機柜。然而，對于許多大功率變頻器機柜來說，功耗水平高于空氣冷卻所能達到的水平。低功率部件一般直接通過氣流進行冷卻，而較高功率的部件則通過設施冷卻水、蒸汽壓縮系統(tǒng)或泵送液體系統(tǒng)直接或間接冷卻。
在這些系統(tǒng)中，大功率元件( 絕緣柵極雙極晶體管、集成柵極換向晶閘管、硅控制整流器)，通常連接到流體冷卻冷板上。然后，流體使用蒸汽壓縮系統(tǒng)或通過液氣熱交換器，將熱量排放到環(huán)境空氣中。無論哪種情況，所需的環(huán)境空氣熱交換器都可以布置在設施內外。這些系統(tǒng)的主要缺點是將流體引入機柜和冷卻液管線進出機柜所帶來的挑戰(zhàn)。
2、環(huán)路熱虹吸管
環(huán)路熱虹吸管（LTS）是重力驅動的兩相冷卻裝置。它們的工作方式與熱管相似，工作流體只要在一個封閉的循環(huán)中蒸發(fā)并冷凝，就可在給定的距離內傳遞熱量。相對熱管，環(huán)路熱虹吸管的主要優(yōu)點是能夠使用導電工作液，高效、遠距離傳輸大功率。與主動式液體冷卻液、蒸汽壓縮或泵送兩相冷卻系統(tǒng)相比，環(huán)路熱虹吸管沒有運動部件，可靠性更高。環(huán)路熱虹吸管非常適合將大功率余熱從機柜中的電力電子設備傳遞到機柜外部環(huán)境中。
在機柜層面，環(huán)路熱虹吸管冷卻系統(tǒng)的優(yōu)勢是顯著的。在工廠車間內就可以將機柜、電子設備和冷卻系統(tǒng)安裝到密封、獨立的外殼中。每個機柜都是獨立的，可以獨立交付，在最終客戶那里也易于安裝。最簡單的實現形式就是位于機柜頂部的風冷環(huán)路熱虹吸管冷凝器。這樣，機柜保持獨立，在最終安裝時只需要電氣連接。
環(huán)路熱虹吸管冷凝器還可以連接到設施或冷卻水系統(tǒng)?？梢詫⒂酂釓臋C柜和多個機柜中進一步消散，從而可以在同一個環(huán)路上工作。使用環(huán)路熱虹吸管和冷水冷凝器時，管道和水的連接都在機柜外部，這樣就可將冷卻液和電子設備分開。
3、密封外殼熱交換器
環(huán)路熱虹吸管是直接從高發(fā)熱部件中排除大熱量的絕佳方法。但二次部件的余熱負荷仍需冷卻。這些輔助組件，包括分散在機柜中的許多低功耗設備，這樣通過直接接觸來冷卻就難易實現。對這些低功耗、熱流較低的元件，直接空氣冷卻是最實用的方法。低功耗組件可以通過空氣- 空氣熱交換器輕松冷卻，同時保持外殼密封的完整性。
在環(huán)路熱虹吸管和密封式換熱器組合中，高功率絕緣柵極雙極晶體管（IGBT）或集成柵極換向晶閘管（IGCT）安裝在環(huán)路熱虹吸管冷板上，它的10 千瓦負荷加上熱負荷，通過環(huán)路熱虹吸管耗散到外部機柜空氣中 ( 見圖2)。所有的二次電子部件，都是通過密封的氣-氣熱交換器冷卻的，熱交換器可以導出1 千瓦左右的廢熱。
環(huán)路熱虹吸管和密封的空氣- 空氣熱交換器保持原來的NEMA 機柜等級。二者的組合使大功率機柜能夠維持密封性能，不受外部氣流的影響，并且不會有冷卻液在機柜內的流動。
環(huán)路熱虹吸管和密封外殼冷卻器，為電力電子冷卻應用提供了諸多優(yōu)點。環(huán)路熱虹吸管利用非常適合中、高壓應用的導電工作液，通過被動方式來冷卻高功率電子元件的大熱量。密封的外殼冷卻器，可以排出電力電子柜中的低功耗、分布式組件所產生的熱量，同時防止外部空氣中的污染物與這些組件相互作用。兩種冷卻解決方案的組合，可在惡劣工作環(huán)境所需的密封外殼中可靠地冷卻大功率電機控制器。
哪些類型的設備上要用較大功率的變頻器？
大小是相對而言的，電機功率大，變頻器功率就要求大。如果一定要說大，我相信高鐵這些場所使用的變頻器的功率是比較大的，畢竟載重要求擺在那個地方了，對比之下，一般工廠用的變頻器功率都沒有那么大的。
變頻器的通用散熱方法
從目前變頻器的構造分析，散熱一般可分為以下三種：自然散熱、對流散熱、液冷散熱和外部環(huán)境散熱。
（一）自然散熱
對于小容量的變頻器一般選用自然散熱方式，其使用環(huán)境應通風良好，無易附著粉塵及飄浮物。此類變頻器的拖動對象多為家用空調、數控機床之類，功率很小，使用環(huán)境比較優(yōu)良。
另外一種使用自然散熱方式的變頻器容量并不一定小，那就是防爆變頻器。對于此類變頻器小容量可以選用一般類型的散熱器即可，要求散熱面積在允許的范圍內盡可能的大一些，散熱肋片間距小一些，盡可能的增加熱輻射面積。對于大容量的防爆變頻器，如使用自然散熱方式建議使用熱管散熱器。熱管散熱器是近年來新興的一種散熱器，它是熱管技術與散熱器技術結合的一種產品，它的散熱效率極高，可以將防爆變頻器的容量做的比較大，可達幾百kVA。這種散熱器相對普通散熱器，所不同之處就是體積相對大，成本高。這種散熱方式與水冷散熱相比較還是有優(yōu)勢的：水冷要用水冷器件，水冷散熱器以及必不可少的水循環(huán)系統(tǒng)等等，其成本比使用熱管散熱器散熱高。業(yè)界反映熱管散熱器性能好，值得推廣。
自然散熱的另外一種方式就是“穿墻式”自然散熱，這種散熱方式最多減少80％的熱量，其特點是變頻器的主體與散熱片通過電控箱完全隔離，大大提高了變頻器元器件的散熱效果。這種散熱方式最大的好處就是可以做到定時清理散熱器，且能保證電控箱的防護等級做得更高。象常見的棉紡企業(yè)由于棉絮過多，經常容易堵塞變頻器的通風道，導致變頻器的過熱故障，用穿墻式自然散熱就能很好得解決這一問題。
（二）對流散熱
對流散熱是普遍采用的一種散熱方式，如圖2所示。隨著半導體器件的發(fā)展，半導體器件散熱器也得到了飛速的發(fā)展，趨向標準化，系列化，通用化；而新產品則向低熱阻，多功能，體積小，重量輕，適用于自動化生產與安裝等方向發(fā)展。世界幾大散熱器生產商，產品多達上千個系列，并全部經過測試，提供了使用功率與散熱器熱阻曲線，為用戶準確選用提供了方便。同時散熱風機的發(fā)展也相當快，呈現出體積小，長受命，低噪聲，低功耗，大風量，高防護的特點。如常用的小功率變頻器散熱風機只有25mm×25mm×10mm；日本SANYO長壽命風機可達200000h，防護等級可達IPX5；更有德國ebm大風量軸流風機，排風量高達5700m3/h。這些因素為設計者提供了非常廣闊的選擇空間。
對流散熱正是由于使用的器件(風機、散熱器)選擇比較容易，成本不是太高,變頻器的容量可以做到從幾十到幾百kVA，甚至更高(采取單元并聯方式)才被廣為采用。
（1）變頻器內裝風扇散熱
內裝風扇散熱一般對于小容量的通用變頻器使用。通過正確的安裝變頻器，可以使變頻器的內裝風扇的散熱能力達到最大化。該內裝風扇可以將變頻器內部的熱量帶走。通過變頻器所在的箱體的鐵板，進行最終散熱。只通過變頻器內裝風扇的散熱辦法適用與裝有單獨的變頻器的控制箱，以及控制元件比較少的控制箱。如果變頻器控制箱中，有若干臺變頻器，或者其他散熱量比較大的電氣元件，則散熱的效果不十分明顯。
（2）變頻器外裝風機散熱
通過在安裝變頻器的控制箱內，增設若干臺具有換氣對流功能的風機，則可以大大提高變頻器的散熱效果，降低變頻器工作環(huán)境的溫度。使用風機的能力，可以通過變頻器的散熱量進行計算。下面說一說一般的選擇方法：
我們根據經驗算出每排出1kW功耗產生的熱量,需要風機的排風量為360m3/h，而變頻器的功耗為其容量的4～5%，這里我們按5%計算，可以得到變頻器適配風機與其容量的關系：
例如：變頻器功率為90千瓦，則：
風機的排風量(m3/h)=變頻器容量×5%×360m3/h/kW=1620m3/h
然后再通過風機的排風量選擇不同廠家風機的型號獲得滿足我們條件的風機。一般說來，風機散熱是現階段變頻器散熱的主要手段，尤其適用在比較大的控制柜中，以及控制柜中擁有的電氣部件同時工作、同時發(fā)熱的情況下。適用于高度集成的集中控制柜、控制箱。而且近幾年由于科技的不斷進步，散熱風機已經不像前幾年那樣的龐然大物，小巧而又強勁的風機比比皆是。性價比上也比其他散熱方式好的多。
（三）液冷散熱
水冷是工業(yè)液冷方式中較常用的一種方式，如圖3所示。針對變頻器這種設備選用該方式散熱的很少，因為它的成本高，用在小容量變頻器時體積大，再由于通用變頻器的容量在幾kVA到近百kVA，容量不是很大，很難將性價比做到讓用戶接受的程度，只有在特殊場合（如需要防爆）以及容量特別大的變頻器才采用這種方式。
水冷變頻器在歐洲已有近十年的歷史，廣泛應用于輪船、機車等高功率且空間有限的場合。相對于傳統(tǒng)的風冷變頻器，水冷變頻器更有效地解決了散熱問題，從而使高功率變頻器的體積大大縮小，性能更加穩(wěn)定。體積的減小意味著節(jié)省了設備安裝空間，從而有效地解決了很多特殊場合對變頻器體積的要求。如芬蘭VACON公司的400kW水冷變頻器，其體積僅為同等級的風冷變頻器的五分之一。
資料表明，散熱器表面經電泳涂漆發(fā)黑或陽極氧化發(fā)黑后，其散熱量在自然冷卻情況下可提高10~15%，在強迫風冷情況下可提高20~30%，電泳涂漆后表面耐壓可達500~800V。所以在選擇散熱器及制定加工工藝時，對散熱器進行上述工藝處理會大大提高本身的散熱能力，還可以增強絕緣性，降低了因安裝不當造成的爬電距離過小，電氣間隙不夠等帶來的不利影響。
散熱效果優(yōu)劣與安裝工藝有密切關系，安裝時應盡量增大功率模塊與散熱器的接觸面積降低熱阻，提高傳熱效果。在功率器件與散熱器之間涂一層薄薄的導熱硅脂可以降低熱阻25~30%。如需要在功率器件與散熱器之間加絕緣或加墊塊來方便安裝，建議使用低熱阻材料：薄云母，聚酯薄膜或紫銅塊，鋁塊。合理安排器件在散熱器上的位置，單件安裝時應使器件位于散熱器基面中心位置，多件安裝時應均勻分布。緊固器件時需保證扭力一致。安裝完畢后不宜對器件及散熱器再進行機械加工，否則會產生應力，增加熱阻。單面肋片式散熱器，適于在設備外部作自然風冷，即利于功率器件的通風又可降低機內溫度。自然風冷時，應使散熱器的斷面平行于水平面的方向；強迫風冷時，應使氣流的流向平行于散熱器的肋片方向
（四）外部環(huán)境散熱
隨著科技的進步，空調也逐漸被越來越多的應用到控制柜，控制箱的制作當中，并成為散熱的重要手段之一。不過針對變頻器這種設備選用該方式散熱的很少，因為它的成本較高，體積相對較大，再由于通用變頻器的容量在幾kVA到幾十kVA，容量不是特別大，很難將性價比做到讓用戶接受的程度，只有在特殊場合（如對工作環(huán)境要求的特別嚴格）以及容量特別大的變頻器才采用這種方式。而且空調中，有的還涉及到廢水的排除，所以在盤柜成套的過程中也要考慮的更加全面，增加了設計成本。、另外，還有一些其他的原因也要考慮變頻器的散熱效果，比如高海拔（>1000m）,因為空氣密度的降低，也要適當增加散熱能力；還有開關頻率，變頻器的發(fā)熱主要來自于IGBT（絕緣柵雙極型晶體管），IGBT的發(fā)熱又集中在開和關的瞬間。因此開關頻率高時，變頻器的發(fā)熱量也變大。
無論采用哪種散熱方式，都應根據變頻器的容量，確定它的功耗，選擇適當的風機，以及適當的散熱器，達到優(yōu)良的性價比，同時也應將變頻器所使用的環(huán)境因素充分考慮到。針對環(huán)境比較惡劣(高溫，高濕，煤礦，油田，海上平臺)的情況，必須采取相應的措施，確保變頻器正?？煽康倪\行。從變頻器本身，應盡可能的避免不利因素的影響，例如針對灰塵、風沙的影響可以進行密封處理，只有散熱器風道與外界空氣接觸，避免了對變頻器內部的影響；針對鹽霧，潮濕等可以對變頻器各部件進行絕緣噴涂處理；野外作業(yè)用變頻器要加防護，做到防雨、防曬、防霧、防塵；對于高溫高濕環(huán)境可以增加空調等設備進行降溫除濕，給變頻器一個良好的環(huán)境，確保變頻器可靠運行，事實表明處理好變頻器的散熱不僅要求設計者從變頻器本身做到，還要求使用者正確使用嚴格按照使用說明進行安裝,有足夠的通風空間，適合的使用環(huán)境，并且盡可能做到定期維護,尤其是煤炭等多粉塵行業(yè)，定期給使用環(huán)境除塵,對變頻器風道除塵，這樣才能使變頻器的散熱系統(tǒng)發(fā)揮正常功能，使變頻器的溫升在允許值之內，變頻器才能可靠運行,而為企業(yè)帶來更大的經濟及社會效益。
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