一種用于變頻器的散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蘇錦華

（北京索德電氣工業(yè)有限公司，北京 100176）

一種用于變頻器的散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蘇錦華

（北京索德電氣工業(yè)有限公司，北京 100176）

摘要：變頻器在電力系統(tǒng)中發(fā)揮了重要的作用，是通過改變電機(jī)工作電源頻率方式來控制交流電動機(jī)的電力控制設(shè)備，借助這一方法對交流電動機(jī)運(yùn)行方式進(jìn)行控制。變頻器的功耗一般為其容量的4%～5%。其中逆變部分約占50%，整流及直流回路約40%，控制及保護(hù)電路為5%～15%。10℃法則表明當(dāng)器件溫度降低10℃，器件的可靠性就增長一倍。由此可見，變頻器的散熱情況直接影響著變頻器設(shè)備的穩(wěn)定性與可靠性。為了更好地處理變頻器的散熱，降低溫升，提高可靠性，延長使用壽命，就要重視變頻器的散熱器結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)。本文主要對一種用于變頻器的散熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)地研究，以使變頻器散熱得到更好的改善。

變頻器；散熱器；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

近些年，變頻技術(shù)隨著科技的進(jìn)步在不斷發(fā)展，變頻器在社會中的應(yīng)用范圍也不斷增加，市場份額不斷增加，變頻器的設(shè)計(jì)也不斷朝容量大與性能高等方向發(fā)展，對其體積也有了更高要求，這就造成很多電子器件的體積逐漸縮小，但是功率逐漸增加，發(fā)熱的密度也不斷增加，這就為變頻器散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了發(fā)展的契機(jī)。本文主要以Icepak仿真軟件平臺為基礎(chǔ)，對變頻器的內(nèi)部開展熱仿真，然后按照得出的數(shù)據(jù)，對變頻器內(nèi)各個(gè)元件在受熱之后，分析對其工作的性能產(chǎn)生的影響，對一些不耐熱的部件熱控制與防護(hù)進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析，了解其中薄弱的環(huán)節(jié)，并對其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行有效地調(diào)整，使變頻器的性能得到改善，提高工作的可靠性。

一、變頻器的散熱原理

熱傳遞：熱傳遞是熱從溫度高的物體傳到溫度低的物體，或者從物體的高溫部分傳到低溫部分的過程，熱傳遞是自然界普遍存在的一種自然現(xiàn)象。只要物體之間或同一物體的不同部分之間存在溫度差，就會有熱傳遞現(xiàn)象發(fā)生，并且將一直繼續(xù)到溫度相同的時(shí)候?yàn)橹埂醾鬟f一般有3種模式。主要是熱輻射、熱對流與熱傳導(dǎo)等。

1.熱輻射

這種傳遞熱量的方式與其他的方式有很大不同，不需要借助其他的物質(zhì)做媒介，而是使用電磁波形式對熱量進(jìn)行傳遞，可以直接把熱量從某個(gè)物體傳到另外的物體。

2.熱對流

這種方式主要指借助流體流動傳遞熱量，當(dāng)流體在某些固體的表面經(jīng)過時(shí)，就會出現(xiàn)熱交換，因?yàn)楣腆w的表面和流體溫度一般都是不同的，這種現(xiàn)象就被稱作熱對流。對流也可以分成自然和強(qiáng)制對流方式，自然方式的對流主要是因?yàn)椴煌瑴囟龋鹆黧w密度出現(xiàn)變化，然后出現(xiàn)浮力效應(yīng)進(jìn)而使流體出現(xiàn)流動現(xiàn)象。強(qiáng)制方式的對流則是因?yàn)橥饬ψ饔枚蛊涑霈F(xiàn)流動，比如借助風(fēng)扇和泵等。

3.熱傳導(dǎo)

靜止物體的內(nèi)部如果存在溫度的梯度差，熱量就會從溫度比較高的位置向溫度比較低的位置流動，也就是熱傳導(dǎo)。這種機(jī)制需要借助自由電子移動，或晶格振動，前者主要發(fā)生在導(dǎo)體中，后者則發(fā)生在非導(dǎo)體中。如果溫差一定，熱傳導(dǎo)的系數(shù)比較大的會比系數(shù)比較小的物體傳遞的熱量更多，一般來說，固體物質(zhì)也比氣體或液體傳遞的熱量多。在實(shí)際的熱傳遞過程中，以上3種方式往往不是單獨(dú)進(jìn)行的。

散熱器內(nèi)熱量和溫度的分布和時(shí)間沒有關(guān)系的，即穩(wěn)定的狀態(tài)，其熱傳導(dǎo)的系數(shù)也是常數(shù)，自身內(nèi)部并沒有熱源存在，其熱對流所交換的對象，只是周圍的流體。散熱器翅片和基板間接觸的阻抗是零，其熱傳遞的系數(shù)也不會隨著外界環(huán)境的變化而變化，是一個(gè)固定的常數(shù)，周圍溫度的分布比較均勻，高度比厚度大，能夠忽略其橫向溫度的梯度。而且，其側(cè)面熱量的散失量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過頂部，所以能夠忽略其頂部熱量的散失。

三、以Icepak為基礎(chǔ)的VFD散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.Icepak是一種對電子冷卻進(jìn)行分析的專業(yè)軟件，借助Icepak設(shè)計(jì)的環(huán)境，能夠降低設(shè)計(jì)的成本，使產(chǎn)品一次設(shè)計(jì)的成功率得到提高，使電子設(shè)備性能得到改善，提高產(chǎn)品可靠性，可縮短產(chǎn)品的上市時(shí)間。

2.模擬分析的流程，對一個(gè)完整求解的過程來說，首先需要建立起CAD的模型，然后把CAD使用IGES的格式在Icepak中輸入，還可以借助Icepak直接進(jìn)行建模，然后對某些元件參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，完成以上步驟之后，可以借助網(wǎng)格生產(chǎn)工具，對物體整體的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，在開始求解之前，要在Icepak內(nèi)對基本的參數(shù)與求解進(jìn)行設(shè)定，然后求解，最后對計(jì)算得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行視覺化的處理，經(jīng)過相關(guān)電腦技術(shù)進(jìn)行顯示，以便由相關(guān)人員對其進(jìn)行分析。

3.數(shù)值的分析。在借助數(shù)值形式進(jìn)行分析時(shí)，為了使數(shù)值模擬復(fù)雜性得到簡化，需要作出下面合理的假設(shè)：

第一，穩(wěn)定狀態(tài)；

第二，流體不能被壓縮；

第三，熱傳導(dǎo)的系數(shù)是常數(shù)；

第四，固體的表面需要和無滑移的狀態(tài)相符；

第五，環(huán)境的溫度是固定值；

第六，忽視輻射的熱值效應(yīng)。

Icepak借助有限體積法對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行切割，網(wǎng)格則使用直角坐標(biāo)切割為一些小的體積，然后使用數(shù)值計(jì)算的方法對代數(shù)進(jìn)行計(jì)算。圖1是以Icepak為基礎(chǔ)模擬基本的流程。

4.建立起數(shù)值的模型。數(shù)值模擬的流程能夠分為4部分：前處理，主要運(yùn)算，后處理和即時(shí)監(jiān)控。其中，前處理主要是建立起幾何模型，對計(jì)算的網(wǎng)格、流體的性質(zhì)和邊界的條件以及物件的參數(shù)等進(jìn)行設(shè)定。主要的運(yùn)算是借助公式對讀出的資料開展數(shù)值模型運(yùn)算，在疊代計(jì)算之后，就可以得出數(shù)值的計(jì)算結(jié)果，主要包括速度、壓力和溫度等。后處理則是按照計(jì)算結(jié)果得出數(shù)據(jù)或者圖表。即時(shí)監(jiān)控則是在具體運(yùn)算時(shí)，對數(shù)值的疊代收斂性等進(jìn)行監(jiān)控。在對幾何模型進(jìn)行建立時(shí)，首先借助Icepak軟件建立其相關(guān)模型，然后對全部要設(shè)定的運(yùn)算的法則，流體模式和性質(zhì)，元件的參數(shù)等進(jìn)行設(shè)定，然后產(chǎn)生非結(jié)構(gòu)式的網(wǎng)格。

第一，在對材質(zhì)的屬性進(jìn)行設(shè)定時(shí)，主要包括比熱、密度值和熱傳到的系數(shù)值等的設(shè)定。而材料的密度和比熱數(shù)值在穩(wěn)定整體分析求解的時(shí)候不用設(shè)定，只需輸入熱傳導(dǎo)的系數(shù)值就可以。反之上述參數(shù)都需要設(shè)定。

第二，對表面的屬性進(jìn)行設(shè)定，主要是表面的鍍層熱阻、粗糙率以及放射率以及面積因子的設(shè)定。設(shè)定粗糙率時(shí)主要是對不規(guī)則表面進(jìn)行考量，會使元件的表面粗糙度和額外熱傳量得到增加，整個(gè)數(shù)值如果沒有設(shè)定就表示元件表面光滑平整。設(shè)定面積因子時(shí)，其原理和粗糙度設(shè)定的原理目的相同，借助對實(shí)際的波狀或者肋狀元件的表面進(jìn)行模擬，使其具有一致散熱的面積。

第三，熱屬性的設(shè)定，主要是對幾何元件熱源的模式進(jìn)行設(shè)定，包括固定的輸出功率、傳導(dǎo)的元件以及固定的溫度。固定的溫度指幾何元件中某表面有固定溫度值，整體的元件中也有一致溫度的設(shè)定值，但是沒有對元件自身能量的出入進(jìn)行考慮。固定的熱流指幾何元件表面具有均勻且相同的熱流出入，但是沒有計(jì)算整體元件的內(nèi)部溫度。傳熱的元件主要是幾何元件的熱源是均勻分布的，熱量也可以由內(nèi)向外進(jìn)行傳遞。

第四，對表面的熱交換進(jìn)行設(shè)定，主要包括元件表面熱交換系數(shù)和參考的溫度等設(shè)定。

5.質(zhì)量和能量的守恒，可以借助流入與流出質(zhì)量的流率得出質(zhì)量守恒，在Icepak處理內(nèi)選擇Solution overview選項(xiàng)，然后negligence得出進(jìn)口出口質(zhì)量的流率非常接近，所以質(zhì)量守恒。系統(tǒng)儲能是1740W，計(jì)算之后進(jìn)出能量為1692W，也十分接近，所以能量守恒。

圖1　

結(jié)語

綜上所述，在變頻器中散熱器的設(shè)計(jì)是非常復(fù)雜的，但是卻具有極其重要的作用，因此需要引起相關(guān)人員的重視，不斷對其進(jìn)行改進(jìn)與完善，結(jié)合變頻器的實(shí)際情況，對其散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，切實(shí)發(fā)揮出散熱器的作用，促進(jìn)變頻器質(zhì)量的提高，促進(jìn)整個(gè)變頻器行業(yè)的發(fā)展。

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