摘 要：準(zhǔn)確的算出大功率的三電平變頻機(jī)的損耗，能夠使變頻機(jī)的散熱系統(tǒng)得到優(yōu)化。變頻器的導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)對(duì)溫度的變化十分敏感，在進(jìn)行大功率三電平變頻器損耗計(jì)算的時(shí)候，一定要考慮溫度變化所帶來(lái)的影響。本文重點(diǎn)介紹了大功率三電平變頻器的導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)的變化方式，并且通過(guò)研究整理出了一套能夠計(jì)算損耗的方法。對(duì)一臺(tái)大功率三電平變頻器在逆變和整流這兩種情況下進(jìn)行了研究和討論。

關(guān)鍵詞：三電平變頻器；損耗；計(jì)算

大功率變頻器由于采用了多變頻技術(shù)，從而改善了輸出性能，由于電平數(shù)量的增多，其相連的變頻器的功率部件也會(huì)隨之上升。所以無(wú)論從哪一個(gè)方面看三電平變頻器優(yōu)勢(shì)都十分明顯。變頻器的數(shù)量增加，其變頻器的功率部件也在不斷的損耗，所以在過(guò)程中出現(xiàn)的散熱問(wèn)題，已經(jīng)成為了大功率三電平變頻器制作過(guò)程中，可能出現(xiàn)的核心問(wèn)題。

1.NPC三電平變頻器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)問(wèn)題

NPC因?yàn)殂Q位二極管的原因，可以輸出三種開(kāi)關(guān)狀態(tài)分別是P、O、N這三種狀態(tài)。其三種開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)序列和輸出的電壓可以參照表1所示。從負(fù)載電流的流向能夠看出，狀態(tài)不同的情況下有兩種不同電流通過(guò)，本文把電流流出變頻器的方向看成正，流入變頻器的方向是負(fù)[1]。

2.損耗計(jì)算方法

VT1在同一個(gè)調(diào)制周期的內(nèi)的導(dǎo)通損耗及開(kāi)關(guān)損耗的計(jì)算方法：

開(kāi)關(guān)的頻率比調(diào)制頻率要高的時(shí)候，開(kāi)關(guān)的損耗的計(jì)算方法可以用連續(xù)積分來(lái)表達(dá)，還能重新表達(dá)為：

3.普遍的功率器件散熱方式

3.1空氣中散熱

空氣中散熱是指不用任何外力來(lái)提高能量進(jìn)行發(fā)熱，而是不停的向周?chē)h(huán)境散發(fā)熱量，從而達(dá)到能夠控制其溫度的目的。傳熱方式有對(duì)流、傳導(dǎo)、輻射等等傳播方式，自然對(duì)流是主要的傳播方式。對(duì)溫度要求不高的耗電器件不需要其他的冷卻器件，采用在空氣中散熱就可以[2]。

3.2風(fēng)冷散熱

空氣中散熱的方式如果完全不起作用，就要借助其外力來(lái)加強(qiáng)空氣流動(dòng)，器件發(fā)出的熱流傳給了周?chē)＿@種方式簡(jiǎn)單便捷，而且十分便宜，技術(shù)已經(jīng)成熟，工作原理安全，是散熱方式中最普遍的一種。但是仍有不足，該方式無(wú)法將發(fā)熱的器件降低到比外面的溫度還低，而且風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)帶來(lái)極大的噪音，會(huì)降低風(fēng)扇的壽命，縮短電扇使用的時(shí)間。

3.3冷水散熱

因?yàn)殡娮悠骷芏戎饾u增大，一般的冷風(fēng)或者空氣散熱都不能達(dá)到冷卻的目的，所以用冷水散熱這種方式就隨之出現(xiàn)。根據(jù)調(diào)查所知，氣體換熱系數(shù)為20～100W之間，水的換熱系數(shù)為15000W。目前使用較多的是冷水散熱的一種循環(huán)裝置，采用密封的技術(shù)，由純水冷卻器、儀表和監(jiān)測(cè)元件，還有一些閥門(mén)等組成。這個(gè)裝置優(yōu)點(diǎn)是效率快、沒(méi)有風(fēng)扇和振動(dòng)，噪音小[3]。缺點(diǎn)是因?yàn)樗敲芊獾?，所以容易臟容易變質(zhì)產(chǎn)生異味，一定要在使用中杜絕缺水、漏水這種情況的產(chǎn)生，而且這種方式比較昂貴，也是缺點(diǎn)之一。

4.損耗研究分析

損耗器件的功能計(jì)算時(shí)，開(kāi)關(guān)過(guò)程的建立確定了損耗模型的建立。但是開(kāi)關(guān)過(guò)程需要進(jìn)行計(jì)算，而且需要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間。根據(jù)典型的結(jié)溫25度和125度下的參數(shù)樹(shù)立損耗模型。最開(kāi)始出現(xiàn)的通態(tài)電阻在導(dǎo)通中會(huì)產(chǎn)生大量的損耗。并且隨著溫度的不斷變化，其最初的飽和不斷的下降。IGBT在開(kāi)始和結(jié)束的過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生損耗。在特定的環(huán)境中，功率器件開(kāi)始到結(jié)束的能力損耗，我們能通過(guò)電壓和電流相乘，然后再看時(shí)間積分這種方式來(lái)得出結(jié)論。在數(shù)據(jù)手冊(cè)中能看出在125度時(shí)，電壓有明顯變化。在不同的電壓和結(jié)溫中，其能量的損耗比實(shí)際承受的電壓值要小。

5.大功率三電平變頻器損耗計(jì)算及散熱分析結(jié)論

（1）溫度系數(shù)改變了功率器件由于結(jié)溫產(chǎn)生的對(duì)電阻的影響，認(rèn)真考慮到器件受電壓電流還有結(jié)溫這三種情況中對(duì)開(kāi)關(guān)能量所產(chǎn)生的變化，能準(zhǔn)確的計(jì)算出變頻器損耗的；

（2）對(duì)NPC三電瓶變頻器的電流進(jìn)行了深度的分析，總結(jié)出了一套計(jì)算方法，以及計(jì)算公式，通過(guò)計(jì)算公式算出，逆變模式下變頻器外面的熱管功率消耗龐大，而整流模式模式中里面的熱管損耗要比外管的功率消耗還要大；

（3）紅外熱成像儀能夠?qū)δ孀兒驼鬟@兩者模式下的IGBT的溫度進(jìn)行測(cè)試，然后再去和用公式計(jì)算后的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，其對(duì)比之后的數(shù)據(jù)顯示其誤差率低于5%。完全達(dá)到了工程設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。也能夠證明文章中NPC三種電平變頻器損耗計(jì)算是十分正確的，這種計(jì)算方式為大功率變頻器的散熱模式提供了極大的便利。

6.結(jié)語(yǔ)

制作散熱器對(duì)加工要求很高，現(xiàn)代的加工技術(shù)制作的散熱器十分良好。但是仍然存在不足之處，由于對(duì)電氣柜上的散熱器研究的時(shí)間較為短，沒(méi)有一些實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)，其加工的技術(shù)需要不斷的進(jìn)行創(chuàng)新。目前市場(chǎng)的需求很大，電子器件的散熱設(shè)備會(huì)不斷的發(fā)展，選擇哪種散熱方式是我們所要一直探究的，我們要根據(jù)散熱方式的優(yōu)勢(shì)以及不足來(lái)進(jìn)行比對(duì)，還可以根據(jù)公式進(jìn)行計(jì)算，針對(duì)不同的散熱方式有著不同的比對(duì)方法和計(jì)算方法，要選出一種最便捷，最方便的散熱方式進(jìn)行散熱。

參考文獻(xiàn)：

[1]景巍，譚國(guó)俊，葉宗彬.大功率三電平變頻器損耗計(jì)算及散熱分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011（02）.

[2]景巍，譚國(guó)俊，趙張飛.有源鉗位三電平變頻器調(diào)制策略及損耗分析[J]. 電氣傳動(dòng)，2011（02）.

[3]景巍.大功率三電平變頻器功率器件損耗研究[D].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2011.

作者簡(jiǎn)介：

劉繼樂(lè)（1986.1—），男，江蘇徐州人，漢族，本科，助理工程師，研究方向，工業(yè)變頻器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，徐州中礦大傳動(dòng)與自動(dòng)化有限公司。