【变频器的散热设计】在恶劣环境下冷却大功率变频器的常见方法和最佳选择

变频器(VFD)具有许多优点，

对研究如何实现最高效率的策略至关重要。

变频器为商业和工业电机提供动力和控制，必须根据其设计和应用环境进行热保护。变频器的主要优点是灵活的控制、平稳的启动和停机性能，以及在可变负载下运行的离心风机和泵所带来的显著节能。

大多数大功率变频器及其附属电子配件都被集成到电气机柜中，如图1 所示。变频器不但提高了系统效率，变频器本身的效率也非常高，损失只有2% 至4%。然而，由于大功率变频器中电能转换很大，即使效率损失较低，也会导致数千瓦到数十千瓦废热的产生，必须设法将这些热量耗散掉。

图 1: 图中所示是一个中压变频柜。

本文图片来源：Advanced Cooling

在开放式风冷机柜中，要想排出这些热量很简单。然而，在恶劣环境中，无法使用过滤风扇冷却或通过直接的空气流来冷却，外壳的热量管理就成为设计流程的重要组成部分。研究策略，对于在恶劣环境中高效、被动且经济地冷却中、大功率密封外壳的变频器至关重要。

01

流通或密封

开放式气流柜可让环境空气流通机柜，直接有效地冷却大功率模块。不过，这种高效的冷却，可能会导致外部污染物进入外壳，通常使用风扇过滤系统，来过滤流入机柜的空气，从而最大限度地减少这些污染物。过滤器有助于减少灰尘和碎片，但它们需要定期维护来清洁或更换过滤器。

密封外壳不允许外部空气进入机柜，而是用机柜内的空气来冷却电子产品，并通过热交换器将热量导出到环境空气中。密封外壳可防止污垢、灰尘、湿度、盐雾和其它空气中的腐蚀性物质进入机柜，并影响电子元件的使用寿命。

这两种系统都适用于低功耗机柜。然而，对于许多大功率变频器机柜来说，功耗水平高于空气冷却所能达到的水平。低功率部件一般直接通过气流进行冷却，而较高功率的部件则通过设施冷却水、蒸汽压缩系统或泵送液体系统直接或间接冷却。

在这些系统中，大功率元件( 绝缘栅极双极晶体管、集成栅极换向晶闸管、硅控制整流器)，通常连接到流体冷却冷板上。然后，流体使用蒸汽压缩系统或通过液气热交换器，将热量排放到环境空气中。无论哪种情况，所需的环境空气热交换器都可以布置在设施内外。这些系统的主要缺点是将流体引入机柜和冷却液管线进出机柜所带来的挑战。

02

环路热虹吸管

环路热虹吸管（LTS）是重力驱动的两相冷却装置。它们的工作方式与热管相似，工作流体只要在一个封闭的循环中蒸发并冷凝，就可在给定的距离内传递热量。相对热管，环路热虹吸管的主要优点是能够使用导电工作液，高效、远距离传输大功率。与主动式液体冷却液、蒸汽压缩或泵送两相冷却系统相比，环路热虹吸管没有运动部件，可靠性更高。环路热虹吸管非常适合将大功率余热从机柜中的电力电子设备传递到机柜外部环境中。

在机柜层面，环路热虹吸管冷却系统的优势是显著的。在工厂车间内就可以将机柜、电子设备和冷却系统安装到密封、独立的外壳中。每个机柜都是独立的，可以独立交付，在最终客户那里也易于安装。最简单的实现形式就是位于机柜顶部的风冷环路热虹吸管冷凝器。这样，机柜保持独立，在最终安装时只需要电气连接。

环路热虹吸管冷凝器还可以连接到设施或冷却水系统。可以将余热从机柜和多个机柜中进一步消散，从而可以在同一个环路上工作。使用环路热虹吸管和冷水冷凝器时，管道和水的连接都在机柜外部，这样就可将冷却液和电子设备分开。

03

密封外壳热交换器

环路热虹吸管是直接从高发热部件中排除大热量的绝佳方法。但二次部件的余热负荷仍需冷却。这些辅助组件，包括分散在机柜中的许多低功耗设备，这样通过直接接触来冷却就难易实现。对这些低功耗、热流较低的元件，直接空气冷却是最实用的方法。低功耗组件可以通过空气- 空气热交换器轻松冷却，同时保持外壳密封的完整性。

在环路热虹吸管和密封式换热器组合中，高功率绝缘栅极双极晶体管（IGBT）或集成栅极换向晶闸管（IGCT）安装在环路热虹吸管冷板上，它的10 千瓦负荷加上热负荷，通过环路热虹吸管耗散到外部机柜空气中 ( 见图2)。所有的二次电子部件，都是通过密封的气-气热交换器冷却的，热交换器可以导出1 千瓦左右的废热。

环路热虹吸管和密封的空气- 空气热交换器保持原来的NEMA 机柜等级。二者的组合使大功率机柜能够维持密封性能，不受外部气流的影响，并且不会有冷却液在机柜内的流动。

环路热虹吸管和密封外壳冷却器，为电力电子冷却应用提供了诸多优点。环路热虹吸管利用非常适合中、高压应用的导电工作液，通过被动方式来冷却高功率电子元件的大热量。密封的外壳冷却器，可以排出电力电子柜中的低功耗、分布式组件所产生的热量，同时防止外部空气中的污染物与这些组件相互作用。两种冷却解决方案的组合，可在恶劣工作环境所需的密封外壳中可靠地冷却大功率电机控制器。

关键概念:

■ 变频器的冷却选项；

■ 冷却与循环热虹吸管和密封外壳。

思考一下：

哪些冷却设计适合您的封闭式设备应用？

- 完 -

本文来自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2019年01-02月刊《应用案例》栏目，原标题为：在恶劣环境下冷却大功率变频器机柜

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