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低壓通用變頻器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2020-04-14 作者:新風(fēng)光

1引言
  變頻器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括廣泛的技術(shù)內(nèi)容,是力學(xué),機(jī)械學(xué),電學(xué),光學(xué),環(huán)境學(xué),人機(jī)工程學(xué)等學(xué)科的綜合應(yīng)用。本文以160kW/380V通用變頻器為例,分別從功耗計(jì)算,通風(fēng)量計(jì)算,散熱器的設(shè)計(jì),風(fēng)道的設(shè)計(jì),三防設(shè)計(jì)等幾方面闡述了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般過程。
2 160kW/380V變頻器功率損耗(以下簡稱:功耗)計(jì)算
2.1  160kW/380V變頻器的主回路功耗計(jì)算
2.1.1  160kW/380V變頻器的IGBT功耗計(jì)算
  變頻器選用型號為FF400R12KE3 的IGBT模塊共6件,IGBT功耗為:

 ?。?)二極管的功耗為:
  ① 每一個(gè)二極管的穩(wěn)態(tài)功耗
  PD=IEP×VEc×()=400×0.7×0.0825=23.1(W)
 ?、? 續(xù)流二極管的開關(guān)功耗包括在IGBT的ESW(on) 之中。
 ?。?)每一IGBT(兩個(gè)橋臂)總功耗為:
  2×PA=2×( PC+ PD )=2×( PSS+ PSW+PD )=2×(199.1+23.1)=444.4(W)
  (6) 6個(gè)IGBT總功耗為:
  444.4×6=2666.4(W)
  符號注釋:
  VCE(sat): T=125℃,峰值電流ICP下IGBT的飽和壓降;VCE(sat)=2V
  ESW(on):T=125?C;峰值電流ICP下,每個(gè)脈沖對應(yīng)的IGBT開通能量。ESW(on)=25mJ
  ESW(off):T=125?C;峰值電流ICP下,每個(gè)脈沖對應(yīng)的IGBT關(guān)斷能量。ESW(off)=62mJ
  fSW:變頻器每臂的PWM開關(guān)頻率(通常fSW=fC)。取值為2KHz
  ICP:正弦輸出的電流峰值。ICP =400A
  VEC:IEP情況下,續(xù)流二極管的正向壓降。VEC =0.7V
  D:PWM信號占空比。取值為0.5
  θ:輸出電壓與電流間的相位角。(功率因數(shù)=COSθ)
  平均結(jié)溫的估算

  Rth(j-c)=標(biāo)定的結(jié)殼熱阻
  Tj=半導(dǎo)體結(jié)溫
  PT=器件的總平均功耗(PSW+PSS)
  TC=模塊的基板溫度。設(shè)定TC=75℃時(shí),變頻器溫升保護(hù)。
2.1.2  整流模塊功耗計(jì)算
  變頻器選用型號為ZXQ400A-1200V的3只,可控硅模塊選用KZQ600-1200V的1只,整流模塊和可控硅模塊總功耗按IGBT模塊的三分之一計(jì)算。
2.2 變頻器總功耗計(jì)算
  考慮主回路雜散電感及其他發(fā)熱元件對模塊的影響,總功耗約為:
  2666.4×1.33×1.2=4256(W)。
3 通風(fēng)量計(jì)算
  整機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)量按熱平衡方程進(jìn)行計(jì)算。
  Q熱‘=Cp×ρ×q風(fēng)×Δt
  q風(fēng)= Q熱’×60/(Cp×ρ×Δt)
  式中:    CP     空氣的比熱(J∕kg?℃)1005J/(kg?K);
  ρ    空氣的密度(kg/m3) 1.06kg/m3;
  q風(fēng)    通風(fēng)量(m3∕min);
  Q熱‘    風(fēng)機(jī)帶走的熱量(W), Q熱 ×90%;
  △t   空氣出口與進(jìn)口溫差(℃)  一般是10℃~15℃;
  q風(fēng)= Q熱’×60/(Cp×ρ×Δt)
  =90%×Q熱×60/(1005×1.06×△t)
  =0.051×Q熱/△t=0.051×4256/10
  =21.7 (m3/min)
  =1302(m3/h)
  式中 P為變頻器額定功耗(kW)。整機(jī)通風(fēng)量需1302 m3/h。按照1.5~2倍的裕量選擇風(fēng)機(jī)的最大風(fēng)量。
  綜合考慮噪音,能耗,穩(wěn)定性等因素選用德國EBM軸流風(fēng)機(jī)W2E300-CP02-30
4  散熱器的設(shè)計(jì)
  按照器件均勻布置的原則,所需散熱片寬度約為300~400mm,選400mm;長度約為450~600mm.選480mm。
  設(shè)環(huán)境溫度為Ta。散熱器的配置目的,是必須保證它能將元件的熱損耗有效地傳導(dǎo)至周圍環(huán)境,并使其熱源_即結(jié)點(diǎn)的溫度不超過Tj。用公式表示為
  P < Q =(Tj-Ta )/R ①
 ?。崃康南⒊龑α鱾鲗?dǎo)外,還可輻射。)
  而熱阻又主要由三部分組成:
  R = Rjc+Rcs+Rsa ②
  Rjc:結(jié)點(diǎn)至管殼的熱阻;
  Rcs:管殼至散熱器的熱阻;
  Rsa:散熱器至空氣的熱阻。
  其中,Rjc與元件的工藝水平和結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系,由制造商給出。
  Rcs與管殼和散熱器之間的填隙介質(zhì)(導(dǎo)熱硅脂)、接觸面的粗糙度、平面度以及安裝的壓力等密切相關(guān)。介質(zhì)的導(dǎo)熱性能越好,或者接觸越緊密,則Rcs越小。
 ?。▍⒖贾担阂话憧煽紤]Rcs≈0.1Rjc)
  Rsa是散熱器選擇的重要參數(shù)。它與材質(zhì)、材料的形狀和表面積、體積、以及空氣流速等參量有關(guān)。
  綜合①和②,可得
  Rsa <〔( Tj-Ta )/P〕-Rjc-Rcs ③
  上式③即散熱器選配的基本原則。
  型材散熱器表面積計(jì)算

  A=UL
  式中:U   散熱器翅片橫截面的周長,單位 cm:U=(15.7+140+8)×43÷10=703.91cm
  L   散熱器的長度,單位cm:48cm
  A=703.91×48=33787.68(cm2)
  散熱器表面的熱流密度
  Q熱/A=4256/33787.68=0.126(W/cm2)》0.039W/cm2
  散熱器的熱阻計(jì)算
  RSa=L/KA,將L=48;K=0.216;A=33787.68,帶入得RSa=0.007
 ?。? Tj-Ta )/P-Rjc-Rcs
  =(125-50)/499.6-0.062-0.031
  =0.057> RSa
  減少接觸熱阻的主要措施:
 ?。?)緊固兩個(gè)接觸表面的接觸壓力。
 ?。?)提高兩個(gè)接觸表面的加工精度。
 ?。?)兩個(gè)接觸表面之間充填導(dǎo)熱硅脂或?qū)嵯鹉z等墊層。
  (4)在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度許可的條件下,選用較軟的材料制作散熱器。
  減小散熱器熱阻的主要措施有:
  (1)合理選用散熱器的結(jié)構(gòu)形式。從熱流線的分布規(guī)律來看,較好的散熱片肋片形狀應(yīng)為流線型。
 ?。?)肋片散熱器的安裝應(yīng)使肋片的縱向與氣流方向相一致。
 ?。?)散熱器的表面應(yīng)進(jìn)行工藝處理:如黑色陽極氧化;絕緣導(dǎo)熱涂層;鍍鉻酸鹽等。
5 風(fēng)道的設(shè)計(jì)
  通風(fēng)道設(shè)計(jì)的基本原則:
 ?。?)通風(fēng)道應(yīng)盡量短而直,盡量避免采用急拐彎和彎曲管道。
 ?。?)應(yīng)盡可能避免管道進(jìn)出口的突然擴(kuò)張和收縮。
 ?。?)應(yīng)盡量使矩形管道接近正方形。矩形管道長短邊之比應(yīng)小于6:1。
 ?。?)優(yōu)先采用密封管道。管道內(nèi)壁的連接處應(yīng)光滑,順氣流方向搭接。
 ?。?)進(jìn)出風(fēng)口應(yīng)設(shè)濾塵裝置。
  風(fēng)道應(yīng)根據(jù)機(jī)箱(柜)的阻力特性以及所選風(fēng)機(jī)的類型、風(fēng)量。確定配置的工作點(diǎn),再進(jìn)行合理的風(fēng)量分配,最后決定風(fēng)道的結(jié)構(gòu)尺寸和進(jìn)、出風(fēng)口的大小。
6整機(jī)三防設(shè)計(jì)
  設(shè)計(jì)準(zhǔn)則:正確選擇材料;合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);穩(wěn)定的加工、裝聯(lián)工藝;選用或建立有效合理的防護(hù)體系。
 ?。?)材料的選擇:殼體及支撐性金屬結(jié)構(gòu)件選用優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板,采用室外三防塑粉噴塑處理;導(dǎo)電金屬件選用優(yōu)質(zhì)紫銅板,鍍鎳處理。銅排間采用環(huán)氧樹脂板做覆層絕緣處理,輸入輸出接線銅排采用環(huán)氧樹脂板(棒)做支撐件。
  (2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):采用獨(dú)立風(fēng)道,將主回路單元及驅(qū)動(dòng)部分做密封處理;控制線路板采用金屬屏蔽盒固定,有機(jī)玻璃板做密封;控制變壓器,延時(shí)電阻,均壓電阻放在風(fēng)道中;直流電抗與主回路單元隔離,加散熱風(fēng)機(jī)通風(fēng);各密封部件的連線采用電纜夾套。
 ?。?)所有PCB線路板均做三防漆噴涂處理。安裝過程中均佩戴防護(hù)手套。設(shè)備檢驗(yàn)合格后對安裝過程中緊固件及溫升試驗(yàn)過的線路板做防銹漆噴涂處理。
7 試驗(yàn)
  設(shè)備制造檢驗(yàn)合格后,按通用變頻器的試驗(yàn)規(guī)范調(diào)試試驗(yàn)。
8 結(jié)束語
  變頻器采用獨(dú)立風(fēng)道密封設(shè)計(jì),可以提高變頻器的防護(hù)等級,延長變頻器的使用壽命,增強(qiáng)對惡劣環(huán)境的適用性能。

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