大功率变频器的冷却方案

变频器要工作，里面有电流走过的，就会发热。

变频器发热的元件主要用：SCR，IGBT，电抗。这三个是发热的大头。产生的热量如果不能及时散去，就会导致零件失效。为了防止这种情况发生，通常都会对这些零件温度进行监控。

对于IGBT，一般都会有一个热敏电阻，温度变化，它的阻值也会有规律地变化，这样就可以用它来监测IGBT工作时的温度。用家通过电路设计，将这个电阻的变化转化为电压变化。通过监测电压值，就可以知道温度超出临界值，然后向控制系统发现停机指令，同时给出温度过高的信息。供维修保养人员判断问题大致在哪里。

图1：IGBT内部的结构照片。有一层果冻样的透明“硅胶”盖在这些零件上面。红圈处为热敏电阻所在的位置

图2：局部放大的热敏电阻，边上红圈是电阻引脚，供用家接线

图3：热敏电阻NTC与固定电阻串联，把这个电路接到一个电路中，NTC的变化，导致V?处的电压值也会变化。

商用的IGBT，SCR零件，都有一个大的接触面用来散热。用家要把这些零件安装在一块散热快的散热零件上，把它产生的热量及时散走。

针对这些零件冷却，也有不同的思路。通常有风冷和水冷二种模式。采用哪一种方式，主要由变频器的功率决定。一般功率小的变频器，都是采用风冷散热，功率大的就必须采用水冷散热。这个功率门槛，大约在300KW左右。参考摩托车和汽车发动机的散热方式。

对于风冷模式，直接把SCR和IGBT贴在有散热肋的铝板上（想一下摩托车发动机上的那些“筋”）。电抗就体积做大一点，将导线做粗一点。然后将柜内的风流道布局理一下，就可以通过从柜底引入冷风，从柜顶出热风的办法，将产生的热量带走。这就是把变频器当作一个烟囱，让它自然散热。功率更大一点，就得加排风扇进行强行对流换热。（看一下我的电脑机箱，就是这个思路）这一种方法省事，不要额外的管路，如同我们的风冷摩托车，但只适用于小功率的变频器。

如果变频器的功率大了，风冷满足不了要求，就引入“冷源”来给它降温。我们是为空调机组配套的变频柜，可以从空调机组上引一点“冷源”过来，不是什么难事。这个思路就有一点象心脏的“冠状动脉循环”的意思。心脏为身体供血，这个就如同空调系统。同时制冷压缩机+驱动柜+电机也要散热，要从空调系统中抽一点“冷源”过来冷却，就如同冠状循环。

图4：小型空调原理示意图，发热量少，可以直接与空气进行热量交换。

图5：人体与空调（制冷）功能类比

以上空调原理图是小功率空调的原理图。对于大功率的空调系统，蒸发器和冷凝器都与水进行交换热量。与蒸发器交换后的水叫“冷冻水”。

图6：图中绿色的二个“筒体”，一个是“冷凝器”，一个是“蒸发器”，采用水与它们进行热交换。

采用“水冷却”也有两种方式，一种是引“冷冻水”，一种是引“冷媒”（就是从图4的原理图中，兰色的部分引一点液体去冷却机组系统）。

相对地冷媒的冷却效果会更好。但因为压力高，万一发生泄漏，冷媒可能全部跑光了。想一下我们家用空调或冰箱漏冷媒后果。所以它的密封设计要求就高一点了。我2019年在上海制冷展上，就看到一台株洲中车的变频柜，就是用冷媒来冷却的。我只是看到了它的柜外的管线，因柜门没有打开，没有看到里面的结构。我估计它里面也有“空调”风扇吹。

冷冻水的办法，变频器上的冷冻水的管路的压力相对小，相对地实现方案就简单一点。但因为冷冻水的温度比冷媒高，这一种办法，冷却效果就差，为了补上这个不足，就得加大流量。

还有一个办法是，再用一个换热器与冷冻水（图6中兰色部分）进行热量交换。然后再把这个交换过的介质（冷却液）用来对变频器降温。此方案的冷却管路就是没有压力，结构设计就更简单了。但它的冷却效果就更差。另外给水路配动力，所以它的水路上的零件就多了，加了水泵等零件。

电抗也是一个主要的发热部件。它在柜内，通常都随柜一起冷却。但有的时候，想获得小的柜体，就采用“水冷”电抗，这个时候，水冷电抗就引入“冷冻水”进行冷却。

对于大功率的变频器，它的冷却方案特别重要。为了评估冷却方案的好坏，通常都在研发阶段对柜内各处的温度进行测量。看一下，柜内各点温度有没有超标的。

评估的办法就是在样柜内不同的地方布上温度探头，来确认柜内各个部分的温度是否低于期望的温度。通常柜内的温度不超过50度。如果发现局部温度过高，在附近增加风扇，强制把它的能量吸走，或者将“空调”冷却的风吹在那个部位。总之，这些工作都要在研发阶段或量产前做完。量产时如果再发现有温度过高问题改动成本就大了。

我在《变频变上的谐波电流抑制器–电抗》中提到过一台变频柜，因为电抗噪音过大，导致客户退货的案例。在那个案例中，现场的售后服务同事最初不想退变频柜，他们在柜子外面订制了一件“棉衣”，希望它来盖住噪音，结果还是不行。这件“棉衣”起隔音作用，但也保温。因为我们采用的“冷冻水冷却”，所以它穿了棉衣也不怕热。

关于这个冷却系统的水路上，我们踩过很多的坑，有的坑是想不到的坑。

1，水泵，水泵的电机和抽水之间，是通过“碳化硅的接触面”之间形成的“水膜”进行密封。这个地方，发现有漏的现象。后来经厂家售后人员指点，才解决此问题。

2，水管，公司开发的一款新产品上，用的水管是新材料，因这水管选型是来自老外，搞不明白他们为什么弃用用开的证明可靠的水管。国内的工程师不敢擅自更换其它材质的水管。这个问题和老外沟通了好久才答应变更成我们正常用开的水管。

3，冷却液，冷却液是去离子水和抑蚀剂的混合起来的，里面的抑蚀剂配方保密。曾经发现一种冷却水用时间长了里面会长霉菌。后来老外重新研制了一个配方的冷却水来代替。全面更换后，运行时间长了后，发现该冷却液与管路中的一些零件有反应，导致冷却液里产生了悬浊物，悬浊物多了影响冷却效果。然后只好重新去再研究一个配方的冷却液。

4，密封填料 曾经想换新的填料，发现该新款填料老是漏。拆腾了一阵后，又用回之前的。

唉。说起来一把泪。

我在想，幸亏我们是在空调行业做，可以从空调机组上引一些冷冻水过来冷却变频器。如果不是这个行业的变频器，要冷却，是不是要专门配一个空调给它冷却？