变频器的热设计

以下资料主要是在网上搜集来的，加了点个人的理解，目的是将其作为自己在散热知识掌握程度的一个小结，希望对同行设计人员有个参考作用以18.5KW变频器举例"通常散热器的设计分为三步1:根据相关约束条件设计处轮廓图。2:根据散热器的相关设计准则对散热器齿厚、齿的形状、齿间距、基板厚度进行优化。3:进行校核计算"变频器发热主要是来自功率模块IGBT和整流桥，必须通过散热器导热，采用自然风冷或强迫风冷将热量散发出去。“散热器冷却方式的判断对通风条件较好的场合：散热器表面的热流密度小于0.039W/cm2，可采用自然风冷。对通风条件较恶劣的场合：散热器表面的热流密度小于0.024W/cm2，可采用自然风冷。对通风条件较好的场合，散热器表面的热流密度大于0.039W/cm2而小于0.078W/cm2，必须采用强迫风冷。对通风条件较恶劣的场合：散热器表面的热流密度大于0.024W/cm2而小于0.078W/cm2，必须采用强迫风冷”注：“”中的文字是转摘来的，不知道依据，也不太理解。以下同，不再说明！“自然冷却散热器的设计方法考虑到自然冷却时温度边界层较厚，如果齿间距太小，两个齿的热边界层易交叉，影响齿表面的对流，所以一般情况下，建议自然冷却的散热器齿间距大于12mm，如果散热器齿高低于10mm，可按齿间距≥1.2倍齿高来确定散热器的齿间距，一般齿间距=<1/4的散热器高度”变频器首先按照模块放置要求，预先确定外形尺寸为宽*长*厚260*220*50先看看自然风冷，按照上述原则，选择镇江长虹散热器有限公司的DY-V系列散热器，见下图下载(13.48KB)2010-1-1910:30变频器发热量为额定功率P的5%-6%18.5kw变频器发热量计算Q热=6%P=6%*18.5=1.11(kw)=1110(W)P为变频器额定功率型材散热器表面积计算A=UL式中：U散热器翅片横截面的周长，cmL散热器的长度，cmA=2422.5209*220*10-2=5329.545(cm2)散热器表面的热流密度Q热/A=1110/5329.545=0.208(W/cm2)>=0.039W/cm2计算出来的散热器表面的热流密度，远大于限制的0.039W/cm2，就算加长加厚散热器，增大表面积，也远远不够，所以不能采用自然风冷，要采用强迫风冷散热器的布置见下图下载(39.26KB)2010-1-1910:30也有将散热器热阻RTf来作为选择散热器的主要依据。Tj、RTj是半导体器件提供的参，P是耗散功率，RTc可以从热设计专业书籍中查到。下面介绍一下散热器的选择。（1）自然冷却散热器的选择首先按以下式子计算总热阻RT和散热器的热阻RTf，即：RT=(Tjmax-Ta)/PcRTf=RT-RTj-RT。算出RT和RTf之后，可根据RTf和P来选择散热器。选择时，根据所选散热RTf和P曲线，在横坐标上查出已知P，再查出与P对应的散热器的热阻R'Tf。按照R'Tf≤RTf的原则选择合理的散热器即可。（2）强迫风冷散热器的选择强迫风冷散热器在选择时应根据散热器的热阻RTf和风速来选择合适的散热器。”又有见“1.概念(1)元件工作结温Tj：即元件允许的最高工作温度极限。本参数由制造厂提供，或产品标准强制给出要求。(2)元件的损耗功率P：元件在工作时自身产生的平均稳态功率消耗，定义为平均有效值输出电流与平均有效值电压降的乘积。(3)耗散功率Q：特定散热结构的散热能力。(4)热阻R：热量在媒质之间传递时，单位功耗所产生的温升。R=ΔT/Q2.散热器的选配设环境温度为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<Q=(Tj-Ta)/R①(当然，热量的消散除对流传导外，还可辐射。在后面讨论)而热阻又主要由三部分组成：R=Rjc+Rcs+Rsa②Rjc：结点至管壳的热阻；Rcs：管壳至散热器的热阻；Rsa：散热器至空气的热阻。其中，Rjc与元件的工艺水平和结构有很大关系，由制造商给出。Rcs与管壳和散热器之间的填隙介质（通常为空气）、接触面的粗糙度、平面度以及安装的压力等密切相关。介质的导热性能越好，或者接触越紧密，则Rcs越小。(参考值：我厂凸台元件的风冷安装，一般可考虑Rcs≈0.1Rjc)Rsa是散热器选择的重要参数。它与材质、材料的形状和表面积、体积、以及空气流速等参量有关。综合①和②，可得Rsa<〔(Tj-Ta)/P〕-Rjc-Rcs③上式③即散热器选配的基本原则。一般散热器厂商应提供特定散热器材料的形状参数和热阻特性曲线，据此设计人员可计算出所需散热器的表面积、长度、重量，并进一步求得散热器的热阻值Rsa。”此种方法没试过，因为具体到某种型号的散热器的性能曲线，不容量获得既已采用强迫风冷，就要选择风机“设定肋基温度为+80℃，用整机的高温环境温度+50℃作为进口空气温度，设定出口空气温度为+60℃，定性温度为tf=(60+50)/2=55℃强制风冷所带走的热量大约是总损耗功率的90%，其余10%主要靠电源外壳向外的热辐射以及自然对流散掉”通风量的计算Q热'=Cp*ρ*Q风*ΔtQ风=Q热*60/(Cp*ρ*Δt)式中：CP空气的比热（J⁄kg•℃）1005J/(kg•K)；ρ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*90%；△t空气出口与进口温差（℃）一般是10℃-15℃；不知道此依据是什么Q风=Q热'*60/(Cp*ρ*Δt)=90%*Q热*60/(1005*1.06*△t)=0.051*Q热/△t=0.051*1110/10=5.66(m3/min)上式Q风=0.051*Q热/△t变化一下Q风=0.051*P机*60/△t=3.06*P机/△t式中P机为变频器额定功率，kw是我常用的公式，作为计算所需风量的依据，个人以为△t取10偏低，理论风量太大，实际上也没有测量过正好手头有一本科畅公司的风机说明书，上有风量计算公式，Q风=1.76P/(t2-t1)(CFM)英尺3/min=0.05P/(t2-t1)(m3/min)举有一例：AirFlow=1.76*1000/(59-20)=45(CFM)(发热量1000W，出口温度59℃，进口温度20℃)温差达39℃，到底应该是多少比较合适，晕！理论计算出来的风量值，考虑到风量损失及安全性等因素，要乘以1.5-2倍，Q风‘>=1.5Q风选用台湾建准KD2412PMBX_6A风量120CFM=3.4m3/min，两只根据冷却方案，确定了强迫风冷，重新选定散热器，选择无锡鸿祥散热器有限公司的插片式散热器，见图，轮廓尺寸是根据元器件的放置大致初定的，下面就要校核。下载(14.34KB)2010-1-1910:30散热器的校核计算换热方程式Q热=h.A·△t·ηf式中:Q热电子设备的耗热，Wh总换热系数，W/m2·℃有效换热面积，m2对流平均温差，℃换热效率A△tηf这个公式是电子设备热设计标准手册上查到的，不会有错，就看怎么理解参数了。但中国电子科技集团公司第14研究所夏爱清的那篇文章上的公式与之相比有点区别，摘录如下：以下简称夏文“Q0=hPLC·(t0-tf)设定ηf为肋片散热效率，则实际散热量为：Q=Q0·ηf=hPLC·△t·ηf式中，h为对流换热系数，W/m2·℃；P为肋片横截面周长，m；Lc为修正长度，m；△t为流体与壁面的温差，℃。设定肋基温度为+80℃，用整机的高温环境温度+50℃作为进口空气温度，设定出口空气温度为+60℃，则：△t=80-50=30℃定性温度为tf=(60+50)/2=55℃”这里将△t=30℃，我理解为散热器铝片与环境温度差但P.LC不理解，肋片横截面周长*修正长度，得到的结果是什么面积呢？回到换热公式，先来求h，总换热系数h=λ.Nu/d式中：h换热系数W/m2.℃λ空气的换热系数W/m.℃0.029W/(m·K)努谢尔特数Nud当量直径，m当量直径d=4A/U式中：A散热片中每两个肋片围成的面积，m2U散热片中每两个肋片围成的周长，m从图3可以看出每两个肋片围成的尺寸是5.2*79d=4A/U=4*0.0052*0.079/2(0.0052+0.079)=0.00976m下面求努谢尔特数Nu要求出努谢尔特数Nu，先要求出雷诺数ReRe=vd/ν式中：Re雷诺数vdν空气流速m/s当量直径运动粘度m18.9×10^-6m2/s空气流速v和风机相关，v=Q风*90%/AQ风风机的标称通风量考虑到侧隙和底缝及同风量不均匀等因素，所以按90%计算A通风孔的面积这个我也有疑虑，是机箱出风口面积还是进风口的面积，又或是散热器的肋板风道面积呢？《夏》文中，风机是贴着板壁放置，向里吹风，所以此面积是机箱板壁进风口的面积，我的这个没有板壁阻挡，只有安全罩，向外排风的，面积应该采用哪个呢，我这里采用机箱上部出风口的孔洞面积，120*120mm2v=Q风*90%/A=4.2*90%/(0.12*0.12)=262.5(m/min)=4.375(m/s)Re=vd/ν=4.375*0.00976/18.9×10^-6=2259由2200<Re<10^4可知，空气在散热器内为强制紊流，则由下面的公式计算出努谢尔特数，即Nu=0.116(Re^2/3-125)Pr^1/3[1+(d/L)^2/3(μ′/μ)^0.14]式中：Re雷诺数Pr普郎特数查得Pr=0.7d当量直径mL散热器长度mμ动力粘度初步定为220mm20.1×10^-6kg/(m.s)μ′为空气定性温度为+50°C时的动力粘度，19.6×10^-6kg/(m.s)上式是《夏》文引用的。在《电子设备手册》中，也提到到了努谢尔特数Nu计算，Re<2200层流状态Nu=1.86(Re.Pr.d/L)^1/3.(μ′/μ)^0.14Re>10^4紊流状态Nu=0.023Re^0.8.Pr^0.4偏没有2200<Re<10^4时的公式，郁闷！所以这里采用《夏》文中的公式。Nu=0.116(Re^2/3-125)Pr^1/3[1+(d/L)^2/3(μ′/μ)^0.14]=0.116(2259^2/3-125)*0.7^1/3[1+(0.00976/0.22)^2/3*(19.6*10^-6/20.1*10^-6)^0.14=5.5现在可以计算对流换热系数了h=λ.Nu/d=0.029*5.5/0.00976=16.34(w/m2.k)再来计算总的换热量Q热=h.A·△t·ηfηf按0.9取值，也没什么依据，有按0.95取的