一种用于变频器的散热器结构设计

苏锦华

（北京索德电气工业有限公司，北京 100176）

一种用于变频器的散热器结构设计

苏锦华

（北京索德电气工业有限公司，北京 100176）

摘要：变频器在电力系统中发挥了重要的作用，是通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备，借助这一方法对交流电动机运行方式进行控制。变频器的功耗一般为其容量的4%～5%。其中逆变部分约占50%，整流及直流回路约40%，控制及保护电路为5%～15%。10℃法则表明当器件温度降低10℃，器件的可靠性就增长一倍。由此可见，变频器的散热情况直接影响着变频器设备的稳定性与可靠性。为了更好地处理变频器的散热，降低温升，提高可靠性，延长使用寿命，就要重视变频器的散热器结构上的设计。本文主要对一种用于变频器的散热器结构进行详细地研究，以使变频器散热得到更好的改善。

变频器；散热器；结构设计

近些年，变频技术随着科技的进步在不断发展，变频器在社会中的应用范围也不断增加，市场份额不断增加，变频器的设计也不断朝容量大与性能高等方向发展，对其体积也有了更高要求，这就造成很多电子器件的体积逐渐缩小，但是功率逐渐增加，发热的密度也不断增加，这就为变频器散热结构的设计提供了发展的契机。本文主要以Icepak仿真软件平台为基础，对变频器的内部开展热仿真，然后按照得出的数据，对变频器内各个元件在受热之后，分析对其工作的性能产生的影响，对一些不耐热的部件热控制与防护进行设计与分析，了解其中薄弱的环节，并对其内部的结构方案进行有效地调整，使变频器的性能得到改善，提高工作的可靠性。

一、变频器的散热原理

热传递：热传递是热从温度高的物体传到温度低的物体，或者从物体的高温部分传到低温部分的过程，热传递是自然界普遍存在的一种自然现象。只要物体之间或同一物体的不同部分之间存在温度差，就会有热传递现象发生，并且将一直继续到温度相同的时候为止。热传递一般有3种模式。主要是热辐射、热对流与热传导等。

1.热辐射

这种传递热量的方式与其他的方式有很大不同，不需要借助其他的物质做媒介，而是使用电磁波形式对热量进行传递，可以直接把热量从某个物体传到另外的物体。

2.热对流

这种方式主要指借助流体流动传递热量，当流体在某些固体的表面经过时，就会出现热交换，因为固体的表面和流体温度一般都是不同的，这种现象就被称作热对流。对流也可以分成自然和强制对流方式，自然方式的对流主要是因为不同温度，引起流体密度出现变化，然后出现浮力效应进而使流体出现流动现象。强制方式的对流则是因为外力作用而使其出现流动，比如借助风扇和泵等。

3.热传导

静止物体的内部如果存在温度的梯度差，热量就会从温度比较高的位置向温度比较低的位置流动，也就是热传导。这种机制需要借助自由电子移动，或晶格振动，前者主要发生在导体中，后者则发生在非导体中。如果温差一定，热传导的系数比较大的会比系数比较小的物体传递的热量更多，一般来说，固体物质也比气体或液体传递的热量多。在实际的热传递过程中，以上3种方式往往不是单独进行的。

散热器内热量和温度的分布和时间没有关系的，即稳定的状态，其热传导的系数也是常数，自身内部并没有热源存在，其热对流所交换的对象，只是周围的流体。散热器翅片和基板间接触的阻抗是零，其热传递的系数也不会随着外界环境的变化而变化，是一个固定的常数，周围温度的分布比较均匀，高度比厚度大，能够忽略其横向温度的梯度。而且，其侧面热量的散失量远远超过顶部，所以能够忽略其顶部热量的散失。

三、以Icepak为基础的VFD散热器结构设计

1.Icepak是一种对电子冷却进行分析的专业软件，借助Icepak设计的环境，能够降低设计的成本，使产品一次设计的成功率得到提高，使电子设备性能得到改善，提高产品可靠性，可缩短产品的上市时间。

2.模拟分析的流程，对一个完整求解的过程来说，首先需要建立起CAD的模型，然后把CAD使用IGES的格式在Icepak中输入，还可以借助Icepak直接进行建模，然后对某些元件参数进行设定，完成以上步骤之后，可以借助网格生产工具，对物体整体的网格进行计算，在开始求解之前，要在Icepak内对基本的参数与求解进行设定，然后求解，最后对计算得出的数据进行视觉化的处理，经过相关电脑技术进行显示，以便由相关人员对其进行分析。

3.数值的分析。在借助数值形式进行分析时，为了使数值模拟复杂性得到简化，需要作出下面合理的假设：

第一，稳定状态；

第二，流体不能被压缩；

第三，热传导的系数是常数；

第四，固体的表面需要和无滑移的状态相符；

第五，环境的温度是固定值；

第六，忽视辐射的热值效应。

Icepak借助有限体积法对计算区域进行切割，网格则使用直角坐标切割为一些小的体积，然后使用数值计算的方法对代数进行计算。图1是以Icepak为基础模拟基本的流程。

4.建立起数值的模型。数值模拟的流程能够分为4部分：前处理，主要运算，后处理和即时监控。其中，前处理主要是建立起几何模型，对计算的网格、流体的性质和边界的条件以及物件的参数等进行设定。主要的运算是借助公式对读出的资料开展数值模型运算，在叠代计算之后，就可以得出数值的计算结果，主要包括速度、压力和温度等。后处理则是按照计算结果得出数据或者图表。即时监控则是在具体运算时，对数值的叠代收敛性等进行监控。在对几何模型进行建立时，首先借助Icepak软件建立其相关模型，然后对全部要设定的运算的法则，流体模式和性质，元件的参数等进行设定，然后产生非结构式的网格。

第一，在对材质的属性进行设定时，主要包括比热、密度值和热传到的系数值等的设定。而材料的密度和比热数值在稳定整体分析求解的时候不用设定，只需输入热传导的系数值就可以。反之上述参数都需要设定。

第二，对表面的属性进行设定，主要是表面的镀层热阻、粗糙率以及放射率以及面积因子的设定。设定粗糙率时主要是对不规则表面进行考量，会使元件的表面粗糙度和额外热传量得到增加，整个数值如果没有设定就表示元件表面光滑平整。设定面积因子时，其原理和粗糙度设定的原理目的相同，借助对实际的波状或者肋状元件的表面进行模拟，使其具有一致散热的面积。

第三，热属性的设定，主要是对几何元件热源的模式进行设定，包括固定的输出功率、传导的元件以及固定的温度。固定的温度指几何元件中某表面有固定温度值，整体的元件中也有一致温度的设定值，但是没有对元件自身能量的出入进行考虑。固定的热流指几何元件表面具有均匀且相同的热流出入，但是没有计算整体元件的内部温度。传热的元件主要是几何元件的热源是均匀分布的，热量也可以由内向外进行传递。

第四，对表面的热交换进行设定，主要包括元件表面热交换系数和参考的温度等设定。

5.质量和能量的守恒，可以借助流入与流出质量的流率得出质量守恒，在Icepak处理内选择Solution overview选项，然后negligence得出进口出口质量的流率非常接近，所以质量守恒。系统储能是1740W，计算之后进出能量为1692W，也十分接近，所以能量守恒。

图1　

结语

综上所述，在变频器中散热器的设计是非常复杂的，但是却具有极其重要的作用，因此需要引起相关人员的重视，不断对其进行改进与完善，结合变频器的实际情况，对其散热结构进行设计，切实发挥出散热器的作用，促进变频器质量的提高，促进整个变频器行业的发展。

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