基于ARIZ的变频柜内功率器件散热问题

　　1.1问题描述

　　变频柜主要由整流(交流到直流)、滤波器、逆变器(直流到交流)、驱动单元、制动单元、检测单元等组成。变频柜由内部电源设备(通常为IGBT，高速开断绝缘栅双极晶体管，调节输出电压和频率，驱动电机运行，达到调速节能的目的。

　　当高速大功率变频离心冷水机组工作时，机组变频柜内的功率设备温度很高，由于冷却系统设计不良，容易发生故障。如果不采取有效的冷却措施，高速大功率变频离心冷水机组很难突破大冷却能力的瓶颈。功率设备的散热设计直接决定了变频柜是否可靠耐用[2]。据报道，功率设备的故障率约占变频柜总故障的50%，而功率设备的故障率较高，约占变频柜总价的20%[3]。创新设计变频柜中功率设备的散热，减少功率设备故障的发生，对降低成本、提高效率具有长期意义。

　　1.发生问题的条件

　　由于温度过高，大功率变频柜内的功率器件主要出现故障:(1)变频柜输入功率大于700kW；(2)磁悬浮电机转速大于7500r/min；(3)变频离心冷水机组单机冷量大于10000RT。

　　1.现有的解决方案和缺陷

　　目前，降低大功率变频柜内电源设备温度的现有技术措施有：（1）自然冷却。打开变频柜外壳上的窗户，对流到柜内的电源设备进行散热，但由于防尘和防水要求，柜保护水平降低[4]。（2）传统的强化热交换。翅片散热器安装在电源设备上，多个冷却风扇安装在机柜上，但风扇使用寿命有限，易损坏，难以维护[5]。（3）新的强化热交换。电源设备粘贴在液体冷却散热器表面，冷却效果好，但散热器安装复杂，有制冷剂泄漏的风险，散热器表面容易产生冷凝水[6]。

　　以上措施只能局部冷却变频柜内部，柜内功率器件温度仍不达标，问题尚未得到根本解决。

　　1.澄清要解决的问题

　　国外**品牌磁悬浮变频离心机单机制冷量1万台RT下面，我公司自主研发的磁悬浮变频离心机组单头冷却能力可达1万台RT以上。机组冷却能力越大，功率设备温度越高，变频柜的散热要求越高。在相同的工作条件下，国外**品牌变频柜的功率设备温度为41℃，我司的为43℃。使用本文ARIZ在不增加变频柜成本和体积的情况下，创新工具将功率设备冷却10%。