變頻器損耗計算及散熱分析

楊斌　韓飛

摘 要：變頻器的損耗計算和散熱，是比較重要的兩項內容，分析好損耗與散熱，才能保證變頻器的有效性，避免增加變頻器的能耗。本文主要結合變頻器運行，探討損耗計算與散熱。

關鍵詞：變頻器；損耗計算；散熱

隨著我國經濟事業的發展，能耗以及能源價格等，也得到了明顯的提升，直接增加了企業的消耗成本。基于節能降耗的思想，變頻器方面，提高了對損耗計算以及散熱分析的重視度，一方面研制節能降耗型的變頻器，另一方面提高維護變頻器的性能，延長其在行業中的使用壽命，避免變頻器運行中出現安全問題。

一、變頻器的系統分析

（一）環境設定

變頻器的機箱外部，如環境溫度是35℃，而空氣之間的換熱系數，就要設計成5W/m2·K，絮流的氣流狀態，速度是0.5m/s，按照變頻器的系統設計，求出環境設定的數值，其中求解過程中，箱體的體系是定義的10倍，迭代求解的次數是400。

（二）建立模型

變頻器的損耗計算與散熱分析中，構建系統化的模型，包括變頻器建模、散熱器建模以及風扇建模，目的是利用建模實現變頻器的準確研究[ 1 ]。例如：變頻器的系統建模，會根據實際變頻器的參數，輸入到模型中，如變頻器的底面，選用鋁或銅的材料，厚度是3mm，等，在建模后，變頻器的一面，必須緊緊貼著散熱器，散熱器的建模中，選用的是肋片結構，每個肋片的間距是7mm，根部的厚度，保持在15mm，可使用的規格為675.6mm×652mm×73mm。

（三）劃分網格

變頻器系統中，通過網格規劃，研究散熱器與熱源的關系，可以使用粗糙網格的方式，規劃好變頻器系統中對應的網格，加強整體網格劃分后的分布與控制情況，規避網格劃分中潛在的誤差，進而優化變頻器的系統研究。

二、變頻器的損耗計算

變頻器損耗計算時，需要建立相關的損耗模型，根據變頻器的各個開關，構建復雜的數學模型，期間涉及到大規模的計算量[ 2 ]。一般情況下，變頻器的損耗計算，選擇在比較典型的溫度狀態，如：25℃，125℃，在重要的參數下，涉及損耗的模型。

變頻器的損耗，主要體現在通態損耗以及開關損耗方面，利用公式可以表述為：

PT=Pcon，T +Psw，T

上述公式中，PT=變頻器損耗、Pcon，T =通態損耗、Psw，T =開關損耗。變頻器損耗的初始計算中，飽和壓降與通態電阻，均會產生損耗，而且變頻器的功率器件，其在通電導電的期間，也會引起通態損耗[ 3 ]。變壓器損耗計算中，通態電阻的實際大小，其會隨著溫度的變化，表現出線性的變化方式，在此基礎上，表述初始飽和壓降、通態電阻以及通態損耗的技術公式，如下：

v0，T=v0，T25℃+Kv0，T（Tvj，T-25），

rT=rT25℃+Kr，T（Tvj，T-25），

Pcon，T=v0，TI+rTI2。

上述一組公式中，v0，T25℃表示變頻器在25℃的溫度狀態下，結溫初始飽和壓降與通態電阻、rT25℃表示變頻器初始飽和壓降與通態電阻的溫度中，所應用的修正系數、Kv0，T與Kr，T是變頻器的結溫、I是變頻器運行中的瞬時電流值。

變頻器運行中，開通、關段的期間，都會伴隨著開關損耗，需在特殊的測試狀態內，計算出功率期間在開通、關斷時的能耗損失，在變頻器的工作數據手冊中，給出了變頻器在結溫125℃時的損耗變化曲線，如果變頻器的結溫有變化，就需要實行對應性的修正操作。

三、變頻器的散熱分析

變頻器的散熱分析，分為3個部分，分別是熱分析曲線、溫度分布和氣流分布，具體分析如下。

（一）熱分析曲線

變頻器的散熱分析中，得出的殘差曲線呈現收斂的狀態，表明變頻器系統處于散熱穩定的狀態，系統中產生的熱量，都可以正常的散失到變頻器的周圍環境中。重點分析變頻器采樣點的實時溫度，熱分析曲線的上部，表示的是變頻器與散熱器的接觸點，此類數值與實際工作溫度相符，就能表明變頻器處于正常的散熱狀態。

（二）溫度分布

變頻器的內部熱流，散熱的過程中會集中到變頻器的表面，也就是散熱器與變頻器發熱模塊直接連接的表面位置。經過散熱分析后，變頻器接觸面的溫度，在110℃上下浮動，反饋出了變頻器的散熱狀態，根據溫度的浮動范圍，判斷變頻器內部熱流是否穩定。

（三）氣流分布

散熱分析研究中，變頻器的氣流分布，最大的氣流速度區域，是指風扇周圍的空間，速度基本保持在5m/s，而其他區域中，氣流的速度是相對比較低的。氣流分布于散熱設計存在直接的關系，用于確保變頻器散熱正常，維護內部電子器件的穩定性[ 4 ]。氣流與溫度分布，決定了散熱冷板的設計，任何情況下，變頻器都不能超過額定的結溫數值，不能損壞變頻器的電子元件。

綜上所述，變頻器的散熱分析中，涉及到多個參數，而散熱器的設計，要歸結為一組參數，促使變頻器以及電子元件，外殼的保護溫度，不能超出極限值。變頻器的散熱，需要劃分成階段性的降溫，由此保證變頻器散熱的有效性，避免在變頻器的周圍囤積大量的熱能，完善變頻器的工作環境。

四、結語

變頻器的損耗和散熱分析，可以借助市場中比較常用的軟件，采用模擬的途徑，明確變頻器的相關性能，確保變頻器處于高安全、高性能的運行狀態，避免變頻器的實際與設計發生誤差，提高變頻器的運行水平，合理分析好變頻器的損耗與散熱，防止變頻器在運行中出現問題。

參考文獻：

[1] 劉玉芬，程洪亮.變頻器的熱耗計算及散熱分析[J].電氣制造，2008，03：60-62.

[2] 王昌南，何鳳有，田明.大功率三電平防爆變頻器散熱分析及計算[J].工礦自動化，2013，01：88-91.

[3] 景巍，譚國俊，葉宗彬.大功率三電平變頻器損耗計算及散熱分析[J].電工技術學報，2011，02：134-140.

[4] 李文頂，莫錦秋，曹家勇.中壓礦用變頻器主電路損耗分析及散熱設計[J].機電工程技術，2009，07：85-87+181.

作者簡介：

楊斌（1982-），男，山東煙臺人，本科，機械助理工程師（初級），研究方向：工業產品結構設計與散熱分析。