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【變頻器的散熱策略】在惡劣環境下冷卻大功率變頻器的常見方法和更佳選擇
發布時間:2019-5-27 9:31:03

 
  變頻器為商業和工業電機提供動力和控制,必須根據其設計和應用環境進行熱保護。變頻器的主要優點是靈活的控制、平穩的啟動和停機性能,以及在可變負載下運行的離心風機和泵所帶來的顯著節能。 
   
  大多數大功率變頻器及其附屬電子配件都被集成到電子機箱中,如圖1所示。變頻器不但提高了系統效率,變頻器本身的效率也非常高,損失只有2%至4%。然而,由于大功率驅動器中電能轉換很大,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驅動柜 

   
  在開放式風冷機柜中,要想排出這些熱量很簡單。然而,在惡劣環境中,無法使用預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。 
   
  流通或密封 
   
  開放式氣流柜可讓環境空氣流通機柜,直接有效地冷卻大功率模塊。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,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、蒸汽壓縮系統或泵送液體系統直接或間接冷卻。 
   
  在這些系統中,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或通過液氣熱交換器,將熱量排放到環境空氣中。無論哪種情況,所需的環境空氣熱交換器都可以布置在設施內外。這些系統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。 
   
  環路熱虹吸管 
   
  環路熱虹吸管(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中蒸發并冷凝,就可在給定的距離內傳遞熱量。相對熱管,環路熱虹吸管的主要優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相比,環路熱虹吸管沒有運動部件,可靠性更高。環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輸到機柜外部環境中。 
   
  在機柜層面,環路熱虹吸管冷卻系統的優勢是顯著的。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。 
   
  環路熱虹吸管冷凝器還可以連接到設施或冷卻水系統??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路上工作。使用環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。 
   
  密封外殼熱交換器 
   
  環路熱虹吸管是直接從高發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)安裝在環路熱虹吸管冷板上,它的10千瓦負荷加上熱負荷,通過環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點。環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,可在惡劣工作環境所需的密封外殼中可靠地冷卻大功率電機控制器。 

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