基于ARIZ的变频柜内功率器件散热创新设计
1问题描述
变频柜主要由整流(交流变为直流)、滤波器、逆变器(直流变为交流)、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(通常是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，机组变频柜中的功率设备温度很高，容易因冷却系统设计不良而出现故障。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量的瓶颈。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%，而功率设备昂贵，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，对降低成本和提高效率具有长期意义。
1.问题发生的条件
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1000RT。
1.现有的解决方案和缺陷
目前，降低大功率变频柜内功率设备温度的现有技术措施有：（1）自然冷却。在变频柜外壳上打开窗户，对流到机柜内的功率设备进行散热，但由于防尘防水要求，机柜保护等级降低[4]。（2）传统的强化热交换。翅片散热器安装在功率设备上，多个冷却风扇安装在机柜上，但风扇使用寿命有限，易损，难以维护[5]。（3）新的强化热交换。将功率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，存在制冷剂泄漏风险，散热器表面容易产生冷凝水[6]。
上述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，问题尚未根本解决。
1.明确要解决的问题
国外**品牌磁悬浮变频离心机单机冷量1万RT下面，我公司自主研发的磁悬浮变频离心机组单机头冷量可达1万台RT以上。机组冷量越大，功率设备温度越高，对变频柜的散热要求越高。在相同的工作条件下，基于现有技术，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降温10%。
