1引言
　　變頻器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括廣泛的技術(shù)內(nèi)容，是力學(xué)，機(jī)械學(xué)，電學(xué)，光學(xué)，環(huán)境學(xué)，人機(jī)工程學(xué)等學(xué)科的綜合應(yīng)用。本文以160kW/380V通用變頻器為例，分別從功耗計(jì)算，通風(fēng)量計(jì)算，散熱器的設(shè)計(jì)，風(fēng)道的設(shè)計(jì)，三防設(shè)計(jì)等幾方面闡述了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般過程。
2 160kW/380V變頻器功率損耗（以下簡(jiǎn)稱：功耗）計(jì)算
2.1  160kW/380V變頻器的主回路功耗計(jì)算
2.1.1  160kW/380V變頻器的IGBT功耗計(jì)算
　　變頻器選用型號(hào)為FF400R12KE3 的IGBT模塊共6件，IGBT功耗為：

　?。?）二極管的功耗為：
　　① 每一個(gè)二極管的穩(wěn)態(tài)功耗
　　PD=IEP×VEc×（）=400×0.7×0.0825=23.1（W）
　?、? 續(xù)流二極管的開關(guān)功耗包括在IGBT的ESW（on） 之中。
　　（5）每一IGBT（兩個(gè)橋臂）總功耗為：
　　2×PA=2×（ PC+ PD ）=2×（ PSS+ PSW+PD ）=2×（199.1+23.1）=444.4（W）
　?。?） 6個(gè)IGBT總功耗為：
　　444.4×6=2666.4（W）
　　符號(hào)注釋：
　　VCE（sat）： T=125℃，峰值電流ICP下IGBT的飽和壓降；VCE（sat）=2V
　　ESW（on）：T=125?C；峰值電流ICP下，每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的IGBT開通能量。ESW（on）=25mJ
　　ESW（off）：T=125?C；峰值電流ICP下，每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的IGBT關(guān)斷能量。ESW（off）=62mJ
　　fSW：變頻器每臂的PWM開關(guān)頻率（通常fSW=fC）。取值為2KHz
　　ICP：正弦輸出的電流峰值。ICP =400A
　　VEC：IEP情況下，續(xù)流二極管的正向壓降。VEC =0.7V
　　D：PWM信號(hào)占空比。取值為0.5
　　θ：輸出電壓與電流間的相位角。（功率因數(shù)=COSθ）
　　平均結(jié)溫的估算

　　Rth（j-c）=標(biāo)定的結(jié)殼熱阻
　　Tj=半導(dǎo)體結(jié)溫
　　PT=器件的總平均功耗（PSW+PSS）
　　TC=模塊的基板溫度。設(shè)定TC=75℃時(shí)，變頻器溫升保護(hù)。
2.1.2  整流模塊功耗計(jì)算
　　變頻器選用型號(hào)為ZXQ400A-1200V的3只，可控硅模塊選用KZQ600-1200V的1只，整流模塊和可控硅模塊總功耗按IGBT模塊的三分之一計(jì)算。
2.2 變頻器總功耗計(jì)算
　　考慮主回路雜散電感及其他發(fā)熱元件對(duì)模塊的影響，總功耗約為：
　　2666.4×1.33×1.2=4256（W）。
3 通風(fēng)量計(jì)算
　　整機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)量按熱平衡方程進(jìn)行計(jì)算。
　　Q熱‘=Cp×ρ×q風(fēng)×Δt
　　q風(fēng)= Q熱’×60/（Cp×ρ×Δt）
　　式中：    CP     空氣的比熱（J∕kg?℃）1005J/（kg?K）；
　　ρ    空氣的密度（kg/m3） 1.06kg/m3；
　　q風(fēng)    通風(fēng)量（m3∕min）；
　　Q熱‘    風(fēng)機(jī)帶走的熱量（W）， Q熱 ×90%；
　　△t   空氣出口與進(jìn)口溫差（℃）  一般是10℃～15℃；
　　q風(fēng)= Q熱’×60/（Cp×ρ×Δt）
　　=90%×Q熱×60/（1005×1.06×△t）
　　=0.051×Q熱/△t=0.051×4256/10
　　=21.7 （m3/min）
　　=1302（m3/h）
　　式中 P為變頻器額定功耗（kW）。整機(jī)通風(fēng)量需1302 m3/h。按照1.5～2倍的裕量選擇風(fēng)機(jī)的最大風(fēng)量。
　　綜合考慮噪音，能耗，穩(wěn)定性等因素選用德國(guó)EBM軸流風(fēng)機(jī)W2E300-CP02-30
4  散熱器的設(shè)計(jì)
　　按照器件均勻布置的原則，所需散熱片寬度約為300～400mm,選400mm;長(zhǎng)度約為450～600mm.選480mm。
　　設(shè)環(huán)境溫度為Ta。散熱器的配置目的，是必須保證它能將元件的熱損耗有效地傳導(dǎo)至周圍環(huán)境，并使其熱源＿即結(jié)點(diǎn)的溫度不超過Tj。用公式表示為
　　P < Q =（Tj-Ta ）/R ①
　?。崃康南⒊龑?duì)流傳導(dǎo)外，還可輻射。）
　　而熱阻又主要由三部分組成：
　　R = Rjc+Rcs+Rsa ②
　　Rjc：結(jié)點(diǎn)至管殼的熱阻；
　　Rcs：管殼至散熱器的熱阻；
　　Rsa：散熱器至空氣的熱阻。
　　其中，Rjc與元件的工藝水平和結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系，由制造商給出。
　　Rcs與管殼和散熱器之間的填隙介質(zhì)（導(dǎo)熱硅脂）、接觸面的粗糙度、平面度以及安裝的壓力等密切相關(guān)。介質(zhì)的導(dǎo)熱性能越好，或者接觸越緊密，則Rcs越小。
　?。▍⒖贾担阂话憧煽紤]Rcs≈0.1Rjc）
　　Rsa是散熱器選擇的重要參數(shù)。它與材質(zhì)、材料的形狀和表面積、體積、以及空氣流速等參量有關(guān)。
　　綜合①和②，可得
　　Rsa <〔（ Tj-Ta ）/P〕-Rjc-Rcs ③
　　上式③即散熱器選配的基本原則。
　　型材散熱器表面積計(jì)算

　　A=UL
　　式中：U   散熱器翅片橫截面的周長(zhǎng)，單位 cm:U=（15.7+140+8）×43÷10=703.91cm
　　L   散熱器的長(zhǎng)度，單位cm:48cm
　　A=703.91×48=33787.68（cm2）
　　散熱器表面的熱流密度
　　Q熱/A=4256/33787.68=0.126（W/cm2）》0.039W/cm2
　　散熱器的熱阻計(jì)算
　　RSa=L/KA,將L=48；K=0.216；A=33787.68,帶入得RSa=0.007
　　（ Tj-Ta ）/P-Rjc-Rcs
　　=（125-50）/499.6-0.062-0.031
　　=0.057> RSa
　　減少接觸熱阻的主要措施：
　?。?）緊固兩個(gè)接觸表面的接觸壓力。
　?。?）提高兩個(gè)接觸表面的加工精度。
　?。?）兩個(gè)接觸表面之間充填導(dǎo)熱硅脂或?qū)嵯鹉z等墊層。
　　（4）在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度許可的條件下，選用較軟的材料制作散熱器。
　　減小散熱器熱阻的主要措施有：
　?。?）合理選用散熱器的結(jié)構(gòu)形式。從熱流線的分布規(guī)律來(lái)看，較好的散熱片肋片形狀應(yīng)為流線型。
　?。?）肋片散熱器的安裝應(yīng)使肋片的縱向與氣流方向相一致。
　?。?）散熱器的表面應(yīng)進(jìn)行工藝處理：如黑色陽(yáng)極氧化；絕緣導(dǎo)熱涂層；鍍鉻酸鹽等。
5 風(fēng)道的設(shè)計(jì)
　　通風(fēng)道設(shè)計(jì)的基本原則：
　?。?）通風(fēng)道應(yīng)盡量短而直，盡量避免采用急拐彎和彎曲管道。
　?。?）應(yīng)盡可能避免管道進(jìn)出口的突然擴(kuò)張和收縮。
　?。?）應(yīng)盡量使矩形管道接近正方形。矩形管道長(zhǎng)短邊之比應(yīng)小于6：1。
　?。?）優(yōu)先采用密封管道。管道內(nèi)壁的連接處應(yīng)光滑，順氣流方向搭接。
　?。?）進(jìn)出風(fēng)口應(yīng)設(shè)濾塵裝置。
　　風(fēng)道應(yīng)根據(jù)機(jī)箱（柜）的阻力特性以及所選風(fēng)機(jī)的類型、風(fēng)量。確定配置的工作點(diǎn)，再進(jìn)行合理的風(fēng)量分配，最后決定風(fēng)道的結(jié)構(gòu)尺寸和進(jìn)、出風(fēng)口的大小。
6整機(jī)三防設(shè)計(jì)
　　設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：正確選擇材料；合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；穩(wěn)定的加工、裝聯(lián)工藝；選用或建立有效合理的防護(hù)體系。
　?。?）材料的選擇：殼體及支撐性金屬結(jié)構(gòu)件選用優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板，采用室外三防塑粉噴塑處理；導(dǎo)電金屬件選用優(yōu)質(zhì)紫銅板，鍍鎳處理。銅排間采用環(huán)氧樹脂板做覆層絕緣處理，輸入輸出接線銅排采用環(huán)氧樹脂板（棒）做支撐件。
　?。?）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：采用獨(dú)立風(fēng)道，將主回路單元及驅(qū)動(dòng)部分做密封處理；控制線路板采用金屬屏蔽盒固定，有機(jī)玻璃板做密封；控制變壓器，延時(shí)電阻，均壓電阻放在風(fēng)道中；直流電抗與主回路單元隔離，加散熱風(fēng)機(jī)通風(fēng)；各密封部件的連線采用電纜夾套。
　　（3）所有PCB線路板均做三防漆噴涂處理。安裝過程中均佩戴防護(hù)手套。設(shè)備檢驗(yàn)合格后對(duì)安裝過程中緊固件及溫升試驗(yàn)過的線路板做防銹漆噴涂處理。
7 試驗(yàn)
　　設(shè)備制造檢驗(yàn)合格后，按通用變頻器的試驗(yàn)規(guī)范調(diào)試試驗(yàn)。
8 結(jié)束語(yǔ)
　　變頻器采用獨(dú)立風(fēng)道密封設(shè)計(jì)，可以提高變頻器的防護(hù)等級(jí)，延長(zhǎng)變頻器的使用壽命，增強(qiáng)對(duì)惡劣環(huán)境的適用性能。