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構設計

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，是通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備，借助這一方法對交流電動機運行方式進行控制。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%，控制及保護電路為5%～15%。10℃法則表明當器件溫度降低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構上的設計。本文主要對一種用于變頻器的散熱器結構進行詳細地研究，以使變頻器散熱得到更好的改善。

變頻器；散熱器；結構設計

近些年，變頻技術隨著科技的進步在不斷發(fā)展，變頻器在社會中的應用范圍也不斷增加，市場份額不斷增加，變頻器的設計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構的設計提供了發(fā)展的契機。本文主要以Icepak仿真軟件平臺為基礎，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進行設計與分析，了解其中薄弱的環(huán)節(jié)，并對其內(nèi)部的結構方案進行有效地調(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)到溫度相同的時候為止。熱傳遞一般有3種模式。主要是熱輻射、熱對流與熱傳導等。

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行傳遞，可以直接把熱量從某個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，當流體在某些固體的表面經(jīng)過時，就會出現(xiàn)熱交換，因為固體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制對流方式，自然方式的對流主要是因為不同溫度，引起流體密度出現(xiàn)變化，然后出現(xiàn)浮力效應進而使流體出現(xiàn)流動現(xiàn)象。強制方式的對流則是因為外力作用而使其出現(xiàn)流動，比如借助風扇和泵等。

3.熱傳導

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。這種機制需要借助自由電子移動，或晶格振動，前者主要發(fā)生在導體中，后者則發(fā)生在非導體中。如果溫差一定，熱傳導的系數(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。在實際的熱傳遞過程中，以上3種方式往往不是單獨進行的。

散熱器內(nèi)熱量和溫度的分布和時間沒有關系的，即穩(wěn)定的狀態(tài)，其熱傳導的系數(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，其側面熱量的散失量遠遠超過頂部，所以能夠忽略其頂部熱量的散失。

三、以Icepak為基礎的VFD散熱器結構設計

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

2.模擬分析的流程，對一個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直接進行建模，然后對某些元件參數(shù)進行設定，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)格進行計算，在開始求解之前，要在Icepak內(nèi)對基本的參數(shù)與求解進行設定，然后求解，最后對計算得出的數(shù)據(jù)進行視覺化的處理，經(jīng)過相關電腦技術進行顯示，以便由相關人員對其進行分析。

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

第一，穩(wěn)定狀態(tài)；

第二，流體不能被壓縮；

第三，熱傳導的系數(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。

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

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，主要運算，后處理和即時監(jiān)控。其中，前處理主要是建立起幾何模型，對計算的網(wǎng)格、流體的性質(zhì)和邊界的條件以及物件的參數(shù)等進行設定。主要的運算是借助公式對讀出的資料開展數(shù)值模型運算，在疊代計算之后，就可以得出數(shù)值的計算結果，主要包括速度、壓力和溫度等。后處理則是按照計算結果得出數(shù)據(jù)或者圖表。即時監(jiān)控則是在具體運算時，對數(shù)值的疊代收斂性等進行監(jiān)控。在對幾何模型進行建立時，首先借助Icepak軟件建立其相關模型，然后對全部要設定的運算的法則，流體模式和性質(zhì)，元件的參數(shù)等進行設定，然后產(chǎn)生非結構式的網(wǎng)格。

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

第二，對表面的屬性進行設定，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定。設定粗糙率時主要是對不規(guī)則表面進行考量，會使元件的表面粗糙度和額外熱傳量得到增加，整個數(shù)值如果沒有設定就表示元件表面光滑平整。設定面積因子時，其原理和粗糙度設定的原理目的相同，借助對實際的波狀或者肋狀元件的表面進行模擬，使其具有一致散熱的面積。

第三，熱屬性的設定，主要是對幾何元件熱源的模式進行設定，包括固定的輸出功率、傳導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定值，但是沒有對元件自身能量的出入進行考慮。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)向外進行傳遞。

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

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，然后negligence得出進口出口質(zhì)量的流率非常接近，所以質(zhì)量守恒。系統(tǒng)儲能是1740W，計算之后進出能量為1692W，也十分接近，所以能量守恒。

圖1　

結語

綜上所述，在變頻器中散熱器的設計是非常復雜的，但是卻具有極其重要的作用，因此需要引起相關人員的重視，不斷對其進行改進與完善，結合變頻器的實際情況，對其散熱結構進行設計，切實發(fā)揮出散熱器的作用，促進變頻器質(zhì)量的提高，促進整個變頻器行業(yè)的發(fā)展。

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