1引言
　　變頻器的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括廣泛的技術(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，分別從功耗計算，通風(fēng)量計算，散熱器的設(shè)計，風(fēng)道的設(shè)計，三防設(shè)計等幾方面闡述了結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般過程。
2 160kW/380V變頻器功率損耗（以下簡稱：功耗）計算
2.1  160kW/380V變頻器的主回路功耗計算
2.1.1  160kW/380V變頻器的IGBT功耗計算
　　變頻器選用型號為FF400R12KE3 的IGBT模塊共6件，IGBT功耗為：

　?。?）二極管的功耗為：
　　① 每一個二極管的穩(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。
　?。?）每一IGBT（兩個橋臂）總功耗為：
　　2×PA=2×（ PC+ PD ）=2×（ PSS+ PSW+PD ）=2×（199.1+23.1）=444.4（W）
　?。?） 6個IGBT總功耗為：
　　444.4×6=2666.4（W）
　　符號注釋：
　　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，每個脈沖對應(yīng)的IGBT開通能量。ESW（on）=25mJ
　　ESW（off）：T=125?C；峰值電流ICP下，每個脈沖對應(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，變頻器溫升保護(hù)。
2.1.2  整流模塊功耗計算
　　變頻器選用型號為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模塊的三分之一計算。
2.2 變頻器總功耗計算
　　考慮主回路雜散電感及其他發(fā)熱元件對模塊的影響，總功耗約為：
　　2666.4×1.33×1.2=4256（W）。
3 通風(fēng)量計算
　　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EBM軸流風(fēng)機(jī)W2E300-CP02-30
4  散熱器的設(shè)計
　　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α鱾鲗?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算

　　A=UL
　　式中：U   散熱器翅片橫截面的周長，單位 cm:U=（15.7+140+8）×43÷10=703.91cm
　　L   散熱器的長度，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：
　　（1）緊固兩個接觸表面的接觸壓力。
　　（2）提高兩個接觸表面的加工精度。
　　（3）兩個接觸表面之間充填導(dǎo)熱硅脂或?qū)嵯鹉z等墊層。
　?。?）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：
　　（1）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。
　　（3）散熱器的表面應(yīng)進(jìn)行工藝處理：如黑色陽極氧化；絕緣導(dǎo)熱涂層；鍍鉻酸鹽等。
5 風(fēng)道的設(shè)計
　　通風(fēng)道設(shè)計的基本原則：
　?。?）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。
　　（5）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
　　設(shè)計準(zhǔn)則：正確選擇材料；合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計；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。
　　（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計：采用獨(dú)立風(fēng)道，將主回路單元及驅(qū)動部分做密封處理；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)備檢驗合格后對安裝過程中緊固件及溫升試驗過的線路板做防銹漆噴涂處理。
7 試驗
　　設(shè)備制造檢驗合格后，按通用變頻器的試驗規(guī)范調(diào)試試驗。
8 結(jié)束語
　　變頻器采用獨(dú)立風(fēng)道密封設(shè)計，可以提高變頻器的防護(hù)等級，延長變頻器的使用壽命，增強(qiáng)對惡劣環(huán)境的適用性能。