低压变频器的结构设计

1、一种The Structural Design of a Low Voltage Inverter 山东新风光电子科技发展有限公司孔亮 Kong Liang 摘要： 本文以 160kW/380V 变频器为例，阐述了变频器结构设计的主要过程： 包括热设计；通风量的计算；散热器的设计，风道的设计及整机防腐蚀设 计。关键词： 变频器；功率损耗；热阻；风道Abstract:This paper takes 160kW/380V inverters as an example to gives main process of inverters structure design:including th

2、ermal design; ventilation rate calculation;radiator design, duct design and machine design of Corrosion prevention.Key words:Inverter Power consumption Thermalresistance Wind tunnel1 引言本文以 160kW/380V 通用变频器为例，分别从功耗计算，通风量计算，散 热器的设计，风道的设计，防腐蚀设计等几方面阐述了在特殊环境条件下的结 构设计的一般过程。2 160kW/380V 变频器功率损耗（以下简称：功耗）计算2

3、.1 160kW/380V 变频器的主回路功耗计算2.1.1 160kW/380V变频器的IGBT功耗计算变频器选用型号为FF400R12KE的IGBT模块共6件，IGBT功耗为：续流二极管的开关功耗包括在IGBT的ESW(on之中。(5) 每一 IGBT两个桥臂)总功耗为：2X PA=2X ( PC+ PD )=2 X ( PSS+ PSW+PD )=2 X (189.4+23.1)=425(W)(6) 6个IGBT总功耗为：425X 6=2550(W)符号注释：VCE(sat):T=125C，峰值电流ICP下IGBT的饱和压降；VCE(sat)=2VESW(on)：T=125C ;峰值电流

4、ICP下，每个脉冲对应的IGBT开通能量，ESW(on)=25mJESW(off)：T=125C ;峰值电流ICP下，每个脉冲对应的IGBT关断能量，ESW(off) =62mJ。fSW：变频器每臂的PWM开关频率(通常fSW=fC)，取值为2kHzICP：正弦输出的电流峰值， ICP =400A。VEC：IEP情况下，续流二极管的正向压降，VEC =0.7V。D：PWM信号占空比，取值为0.5。0:输出电压与电流间的相位角，(功率因数 =)。平均结温的估算：IGBT的最大结温是150C，在任何情况下都不能超过该值。Tj=Tc+PT x Rth(j-c)Rth(j-c)可以在数据手册中查到。=

5、75+425 x0.06210C150CRth(j-c)二标定的结壳热阻Tj二半导体结温PT=器件的总平均功耗(PSW+PSSTc=模块的基板温度。设定Tc=75C时，变频器温升保护。2.1.2整流模块功耗计算变频器选用型号为ZXQ400A-1200V勺3只，可控硅模块选用 KZQ600-1200V 的1只，整流模块和可控硅模块总功耗按IGBT模块的三分之一计算。2.2 变频器总功耗计算考虑主回路杂散电感及其他发热元件对模块的影响，总功耗约为：2550 X1.33 X1.2=4070(W)。3 通风量计算 整机通风系统的通风量按热平衡方程进行计算。Q 热=Cp Xp 风/A tq 风二 Q 热

6、X 60/(Cp XpXA t)式中：CP 空气的比热(J / kg?) 1005J/(kg?K) p空气的密度(kg/m3)1.06kg/m3；q风通风量(m3/ min ;Q热风机带走的热量(W), Q热X 90% t空气出口与进口温差(C) 一般是 10C 15C; q 风二 Q 热X 60/(Cpg)=90%xq 热 X 60/(1005 X1.06 t)=0.051热/ t=0.051 X =20.8 (m3/mi n)=1248(m3/h)式中P为变频器额定功耗(kW)。整机通风量需1248 m3/h。按照1.52倍的xx量选择风机的最大风量。综合考虑噪音，能耗，稳定性等因素选用德

7、国 EBM 轴流风机 W2E300-CP02- 30。4 散热器的设计按照器件均匀布置的原则，所需散热片宽度约为300 400mm,选400mm ;长度约为 450600mm.选 480mm。设环境温度为Ta。散热器的配置目的，是必须保证它能将元件的热损耗有 效地传导至周围环境，并使其热源即结点的温度不超过Tj。用公式表示为：P RSa减少接触热阻的主要措施：（ 1）紧固两个接触表面的接触压力。（ 2）提高两个接触表面的加工精度。（ 3）两个接触表面之间充填导热硅脂或导热橡胶等垫层。（4）在结构强度许可的条件下，选用较软的材料制作散热器。 减小散热器热阻的主要措施有：（ 1）合理选用散热器的结

8、构形式 .从热流线的分布规律来看，最好的散热片 肋片形状应为流线型。（2）肋片散热器的安装应使肋片的纵向与气流方向相一致。（ 3）散热器的表面应进行工艺处理： 如黑色阳极氧化；绝缘导热涂层；镀铬酸盐等。5 风道的设计通风道设计的基本原则：（1）通风道应尽量短而直，尽量避免采用急拐弯和弯曲管道。2）应尽可能避免管道进出口的突然扩张和收缩。（ 3）应尽量使矩形管道接近正方形。矩形管道长短边之比应小于6：1。（4）优先采用密封管道。管道内壁的连接处应光滑，顺气流方向搭接。（ 5）进出风口应设滤尘装置。风道应根据机箱（柜）的阻力特性以及所选风机的类型、风量。确定配置 的工作点，再进行合理的风量分配，最

9、后决定风道的结构尺寸和进、出风口的 大小。根据以上的设计原则，本结构采用独立风道设计，将散热片，电解电 容，延时电阻等发热器件直接放在进风口，风道与其他部分密封隔离，保证腐 蚀性气体不进入变频器结构内部，既能解决散热通风，又做到了防腐蚀保护。 6 整机防腐蚀设计一般变频器适用环境为10 C + 40 C,工作环境的温度变化应不大于 5/h。空气的最大相对湿度不超过 90%，每小时相对湿度的变化率不超过 5且不得出现凝露。避免日晒雨淋。运行地点无导电或爆炸尘埃,无腐蚀金属或破坏绝缘的气体或蒸气，振动频率 10150Hz,振动加速度不大于5m/s2，无三 防要求。本结构设计适用于有腐蚀性气体的环境

10、。设计准则：正确选择材料；合理的结构设计；稳定的加工、装联工艺；选用或建立有 效合理的防护体系。（ 1 ）材料的选择：壳体及支撑性金属结构件选用优质冷轧钢板,采用室外三防塑粉喷塑处 理；导电金属件选用优质紫铜板,镀镍处理。铜排间采用环氧树脂板做覆层绝缘处理,输入输出接线铜排采用环氧树脂 板（棒）做支撑件。（ 2）结构设计：如图 2 所示,采用独立风道,将主回路单元及驱动部分做密封处理；控制 线路板采用金属屏蔽盒固定,有机玻璃板做密封；控制变压器,延时电阻,均 压电阻放在风道中；直流电抗与主回路单元隔离,加散热风机通风；各密封部件的连线采用电缆夹套。独立风道设计较普通防护的变频器，器件选型和散热 器件余量略大一些，具体情况根据现场实际确定。(3)所有PCB线路板均做三防漆喷涂处理。安装过程中均佩戴防护手套。 设备检验合格后对安装过程中紧固件及温升试验过的线路板做防锈漆喷涂处 理。 7 试验设备制造检验合格后，按 Q/0800SFD005-2010企业标准要求调试试验，各 项性能指标均满足要求。8 结束语变频器的结构设计包括广泛的技术内容，是力学，机械学，电学，光学， 环境学，人机工程学等学科的综合应用。变频器采用独立风道密封设计，可以 提高变频器的防护等级，延长变频器的使用寿命，增强对恶劣环境的适用性 能。作者简介孔亮男工程师在山东新风光电子科技发展有限公司从事新产品研发、大功