淺談防爆變頻器的散熱設(shè)計(jì)

(華榮科技股份有限公司，上海 201808)

0 引言

隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，電氣傳動(dòng)領(lǐng)域也發(fā)生了重大的技術(shù)變革。變頻器自上世紀(jì)80年代進(jìn)入我國以來，在短短的幾十年里得到了非常廣泛的應(yīng)用。

變頻器由初期的變壓變頻(VVVF)調(diào)速方案，到如今的矢量、直接轉(zhuǎn)矩控制方案，使變頻控制不僅具有穩(wěn)態(tài)的控制特性，而且具有良好的動(dòng)態(tài)性能；不僅降低的啟動(dòng)電流，保護(hù)了電機(jī)，而且具有良好的調(diào)速特性和節(jié)能效果，可以與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美；不僅解決了風(fēng)機(jī)、泵類等負(fù)載的拖動(dòng)，而且也解決了帶式輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)、絞車、提升機(jī)等低速大扭矩等場(chǎng)合的控制。

石油化工行業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)行業(yè)，同時(shí)也是能耗大戶。石化行業(yè)作為一個(gè)特殊的行業(yè)，有其獨(dú)特的背景。風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載也成了石化企業(yè)最主要的能耗設(shè)備，在實(shí)際生產(chǎn)中，這些設(shè)備都有較大的裕度，機(jī)泵的負(fù)載率通常只有60%～80%，而且很多采油設(shè)備是全天候工作，因此采用變頻技術(shù)不僅可以節(jié)約能耗，而且還能延長設(shè)備使用壽命，所以變頻器獲得廣泛應(yīng)用，成為企業(yè)降低生產(chǎn)成本的有效途徑，直接影響到企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

1 設(shè)計(jì)原理

變頻器的調(diào)速范圍大，可以通過改變電機(jī)電源頻率方式進(jìn)行無極調(diào)速，但是在有爆炸性氣體混合物的危險(xiǎn)場(chǎng)所中使用，必須對(duì)變頻器進(jìn)行防爆處理。其設(shè)計(jì)原則為

(1)采用國標(biāo)GB 3836.1—2010 爆炸性氣體環(huán)境 第1部分：通用要求、GB 3836.2—2010爆炸性環(huán)境第2部分：由外殼“d”保護(hù)的設(shè)備和GB/T 3836.5—2017 爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第5部分：由正壓外殼“p”保護(hù)的設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(2)滿足石油化工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)防爆變頻器的使用要求。

(3)保證防爆變頻器在爆炸性混合物危險(xiǎn)場(chǎng)所長期安全運(yùn)行。

2 防爆變頻器所采用的防爆型式

根據(jù)變頻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和發(fā)熱原理，目前各個(gè)廠家普遍采用的是隔爆型和正壓通風(fēng)型兩種防爆型式。

2.1 隔爆型

此種防爆型式是我國防爆行業(yè)采用的最為廣泛的一種形式，防爆原理是將能產(chǎn)生火花電弧的部件置于隔爆殼體內(nèi)，隔爆外殼能承受內(nèi)部的爆炸壓力而不致?lián)p壞，并能保證內(nèi)部的火焰不能傳導(dǎo)到外部危險(xiǎn)環(huán)境中，因此隔爆外殼應(yīng)有耐爆性和隔爆性兩種特性。

(1)耐爆性

隔爆型電氣設(shè)備的耐爆性其實(shí)就是外殼的強(qiáng)度問題，它是由外殼的材質(zhì)和機(jī)械強(qiáng)度來保證。因此外殼必須有足夠的堅(jiān)固性，以及外殼在熱源的作用下，即便經(jīng)爆炸之后，也不能有變形或者破損。

在隔爆型電氣設(shè)備的制造和維修過程中，規(guī)定不同容積的外殼其內(nèi)部承受壓力試驗(yàn)(一般為水壓)的數(shù)值亦不同。對(duì)于小型設(shè)備不能測(cè)定參考?jí)毫r(shí)，則應(yīng)采用下列相應(yīng)壓力進(jìn)行靜壓試驗(yàn)，如表1所示。

表1 不同容積不同氣體類別的水壓試壓壓力

(2)隔爆性

隔爆型電氣設(shè)備的隔爆性要求殼體上所有通過裝配的零部件與大氣溝通的間隙都能阻止火焰向外傳播，這些特殊的間隙稱為隔爆結(jié)合面，其接合縫隙稱為隔爆結(jié)合面間隙。

隔爆外殼的隔爆性是建立在隔爆接合面對(duì)內(nèi)部的爆炸火焰有冷卻作用為理論基礎(chǔ)的。隔爆接合面的結(jié)構(gòu)應(yīng)該能保證熄滅間隙中的火焰，損失至少20%的能量。為此隔爆接合面的寬度L、間隙(或直徑差)i、法蘭至殼體內(nèi)緣的距離l應(yīng)符合GB 3836.2表1～表2的規(guī)定，對(duì)于ⅡC外殼的螺紋隔爆接合面應(yīng)符合表3～表4的規(guī)定。隔爆面的表面粗糙度Ra應(yīng)不低于6.3μm，隔爆螺紋的精度應(yīng)不低于6H/6g。為了防銹防腐，隔爆面的表面應(yīng)該涂防銹油脂。

2.2 正壓型

這種防爆型式的防爆原理是保證內(nèi)部保護(hù)氣體(一般潔凈的空氣或者惰性氣體)的壓力高于周圍以免爆炸性混合物進(jìn)入外殼內(nèi)，或保證足量的保護(hù)氣體通過使內(nèi)部的爆炸性混合物的濃度降至爆炸下限以下。按照GB/T 3836.5—2017 爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第5部分：由正壓外殼“p”保護(hù)的設(shè)備的規(guī)定，正壓型防爆電氣設(shè)備在安全措施上必須滿足如下幾個(gè)方面的要求。

(1)正壓型防爆電氣設(shè)備在投入運(yùn)行前或退出運(yùn)行后所有可能帶電的電氣部分必須采用了相應(yīng)的防爆型式。

(2)必須有可靠的措施保證正壓型防爆電氣設(shè)備在投入運(yùn)行前，首先進(jìn)行換氣工作，即用足量的保護(hù)性氣體通過正壓外殼和管道，使正壓外殼和管道內(nèi)部在未形成正壓前有可能存在的爆炸性混合物濃度降至爆炸下限以下的過程。這里涉及到“換氣量”和“換氣時(shí)間”的兩個(gè)技術(shù)參數(shù)的設(shè)定問題，而這兩個(gè)參數(shù)直接與正壓外殼和管道的凈容積及氣流量的大小密不可分，換氣量和換氣時(shí)間直接關(guān)系到標(biāo)準(zhǔn)要求“用足量的保護(hù)氣體”和“爆炸性混合物濃度降至爆炸下限以下”的要求。

(3) 必須有可靠的措施保證正壓外殼和管道在未形成正壓前，正壓外殼內(nèi)裝的所有電氣設(shè)備是不能帶電的。只有形成滿足或者高于標(biāo)準(zhǔn)的正壓值50Pa時(shí)，正壓外殼內(nèi)的所有電氣設(shè)備才能通電。

(4)電氣設(shè)備必須有可靠的自動(dòng)連鎖裝置，保證在啟動(dòng)和運(yùn)行中，當(dāng)正壓外殼內(nèi)正壓降至低于規(guī)定最小值時(shí)，用于1區(qū)的正壓型防爆電氣設(shè)備須能自動(dòng)切斷電源，用于2區(qū)的防爆電氣設(shè)備可發(fā)出連續(xù)的聲或光報(bào)警信號(hào)。

3 防爆變頻器的散熱處理

3.1 散熱的必要性

變頻器作為一種變流器在運(yùn)行過程中要產(chǎn)生一定的功耗。由于使用器件不同，控制方式不同，不同品牌，不同規(guī)格的變頻器所產(chǎn)生的功耗也不盡相同。資料表明變頻器的功耗一般為其容量的4%～5%。其中逆變部分約占50%，整流及直流回路約40%，控制及保護(hù)電路為5%～15%。10℃法則表明當(dāng)器件溫度降低10℃，器件的可靠性增長一倍?？梢娙绾翁幚碜冾l器的散熱，降低溫升，提高器件的可靠性，從而延長設(shè)備的使用壽命是防爆變頻器首要解決的問題。

3.2 散熱的處理方式

對(duì)于小功率的變頻器，因發(fā)熱量不是太大，可以放置在隔爆腔內(nèi)，變頻器產(chǎn)生的熱量通過防爆金屬外殼傳導(dǎo)出箱外；由于傳導(dǎo)速度緩慢，一般還需對(duì)變頻器降容使用，降低其發(fā)熱量，且適當(dāng)放大隔爆腔體，從而增大隔爆外殼的散熱面積；對(duì)于大功率的變頻器而言，因加工精度和爆炸能量的限制，隔爆腔不能過于龐大，而且靠殼體自然散熱無法將不斷產(chǎn)生的熱量帶出，這樣一來，就必須尋求其他的方式同時(shí)達(dá)到散熱和隔爆的效果。大功率的變頻器根據(jù)防爆型式的不同一般選擇以下兩種散熱方式：熱管和正壓通風(fēng)。

3.2.1 熱管散熱

熱管是具有極高效能的傳熱元件，典型的熱管一般由管殼、吸液芯和端蓋構(gòu)成；其工作原理是：將管內(nèi)抽成1.3×(0.1～0.0001)Pa的負(fù)壓后充以適量的工作液體，這種液體沸點(diǎn)低，容易揮發(fā)。管壁有吸液芯，其由毛細(xì)多孔材料構(gòu)成。管的一端為冷凝段(冷卻段)，另一端為蒸發(fā)段(加熱段)，根據(jù)應(yīng)用需要在兩段中間加入絕熱段。當(dāng)熱管的一端受熱時(shí)毛紉芯的液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結(jié)成液體，液體再沿多空材料靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)段。如此往復(fù)，不斷的將熱量從蒸發(fā)段傳至冷凝段。絕熱段作用除了為流體提高通道外，還起著把蒸汽段和冷凝段隔開的作用，并使管內(nèi)工質(zhì)不與外界進(jìn)行熱量傳遞。

根據(jù)上面變頻器的熱量能耗分析：90%的發(fā)熱量來源于主回路的整流和逆變部分，我們將此部分(主要指絕緣柵雙極晶體管，簡稱IGBT模塊)單獨(dú)安裝在基板內(nèi)表面上(基板材質(zhì)可以為銅或者鋁型材，銅的導(dǎo)熱性優(yōu)于鋁，但成本高)，在安裝固定這些功率器件時(shí)，需在基板和發(fā)熱元件之間直接加導(dǎo)熱硅膠，保證其之間的導(dǎo)熱性能。蒸發(fā)段以壓裝方式裝入銅或鋁材制成的基座內(nèi)，冷凝段壓裝鋁質(zhì)散熱片，形成熱管散熱器。在隔爆腔后壁開一個(gè)矩形口，并焊接隔爆法蘭面，與基板四周相匹配，并滿足防爆接合面的表面粗糙度Ra不超過6.3μm，其接合面的寬度和間隙均需達(dá)到或高于GB 3836.2—2010標(biāo)準(zhǔn)。隔爆面四周用螺絲緊固。安裝方式如圖1所示。

圖1 安裝方式

這樣變頻器在工作中產(chǎn)生的主要熱量，通過防爆腔后壁的基板直接傳導(dǎo)到熱管上，并通過散熱片迅速散發(fā)到隔爆腔外的空氣中，保證箱體內(nèi)部的溫升在變頻器的允許范圍之內(nèi)。如果現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)環(huán)境密閉，空氣流動(dòng)性差，為了加速熱管和散熱片上的熱量散發(fā)，可以在熱管的正下方配一個(gè)防爆風(fēng)機(jī)，這樣散熱效果更佳。

那么變頻器放置在隔爆殼體內(nèi)，多大功率以下的可以采用自然散熱。

對(duì)于自然散熱，目前的廠家一般按照某公司提供的經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算的。

Q=KA△T

(1)

式中，Q—柜體表面積發(fā)散的熱量，W；K—熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/ m2K，其值根據(jù)柜體材質(zhì)不同而不同，一般來說，鋼板為5.5，鋁板為1.1，塑料為0.3。A—柜體實(shí)際散熱面積，m2，柜體的安裝方式對(duì)柜體的散熱有較大影響，某公司提供了如下幾種典型安裝方式的散熱面積計(jì)算方法。

(1)單個(gè)柜體，四周有空：A=1.8×高×(寬+深)+1.4×寬×深

(2)單個(gè)柜體，用于壁裝：A=1.4×寬×(高+深)+1.8×深×高

(3)起始或終端柜體，四周有空：A=1.4×寬×(高+深)+1.8×寬×高

(4)起始或終端柜體，四周有空：A=1.4×高×(寬+深)+1.4×寬×深

(5)位于中間的柜體，四周有空：A=1.8×寬×高+1.4×寬×深+深×高

(6)位于中間的柜體，用于壁裝：A=1.4×寬×(高+深)+深×高

(7)位于中間的柜體，用于壁裝，頂部覆蓋：A=1.4×寬×高+0.7×寬×深+深×高

△T—柜內(nèi)外的溫差，柜體內(nèi)部的溫度減去柜體外面的溫度(即現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度)。

按照GB 3836.2—2010對(duì)隔爆殼體的要求，鋼制的隔爆型殼體的尺寸的上限最大為1.2米(寬)×1.2米(高)×0.6米(深)。若將某一變頻器置于此腔體內(nèi)，同時(shí)假設(shè)此柜體位于中間且四周都有空，根據(jù)某公司提供的典型散熱面積的計(jì)算方法(7)，那么此柜體的散熱面積大約為4.32m2；若現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度為：25℃(變頻器工作環(huán)境是-10℃～+50℃之間)。

那么根據(jù)式(1),此鋼制柜體的最大能散發(fā)的熱量為5.5×4.32×(50-25)=594W。

如果隔爆腔不考慮其它發(fā)熱元件引起的溫升，變頻器的發(fā)熱量就不能超過594W。否則就超過了變頻器的最高工作環(huán)境溫度。相同功率的變頻器，不同的廠家生產(chǎn)的體積和發(fā)熱量均有所不同。如果僅考慮通過隔爆柜體的表面自然散熱，1.2米(寬)×1.2米(高)×0.6米(深)的隔爆腔體就只能放置18.5kW及以下的變頻器。

但如果采用熱管散熱處理，就可以將變頻器產(chǎn)生的90%的熱量全部帶出柜外(實(shí)際會(huì)有小部分熱量留在腔內(nèi))；那么該隔爆腔就能放置產(chǎn)生594W÷10%=5940W發(fā)熱量的變頻器，大概可以得出變頻器的功率為5940W÷5%=118.8kW。換句話說，采用隔爆型熱管散熱的方法，可以放置到110kW及以下的變頻器。按照以上的計(jì)算方法進(jìn)行推算，如果增大隔爆腔尺寸，所放置的變頻器的功率還可增大。但在正常情況下，考慮到隔爆殼體的耐壓和加工精度必須滿足防爆標(biāo)準(zhǔn)，隔爆腔的外形也不宜大于上面描述的尺寸。

3.2.2 正壓通風(fēng)散熱

采用介質(zhì)隔離點(diǎn)燃源達(dá)到電器防爆的目的，是正壓通風(fēng)防爆柜的防爆原理。隔離介質(zhì)可以用壓縮空氣罐、壓縮機(jī)或鼓風(fēng)機(jī)等供氣，保護(hù)氣源壓力在0.2～0.8MPa均可，氣體類型為潔凈空氣或惰性氣體；在通電使用之前，需首先進(jìn)行換氣操作程序，將箱內(nèi)原有的防爆性氣體得到的稀釋程度到達(dá)安全界限以下。在換氣時(shí)，需將進(jìn)、出氣閥開至最大，達(dá)到充分置換目的，換氣量需不少于正壓腔凈容量的5倍，箱內(nèi)的爆炸性氣體溶度可降低至安全界限以下。在正壓時(shí)，腔內(nèi)每一部位相對(duì)外部大氣壓應(yīng)保持的最低壓力：對(duì)于“Px”型為50Pa，對(duì)于“Pz”型為25Pa (制造廠應(yīng)規(guī)定腔內(nèi)最低和最高正壓值，但不低于GB標(biāo)準(zhǔn))。簡易管路連接如圖2所示。

圖2 簡易管路連接

正壓通風(fēng)型防爆柜為不間斷連續(xù)供風(fēng)，當(dāng)變頻器安裝在正壓柜內(nèi)運(yùn)行，所產(chǎn)生的熱量將連續(xù)不斷的被帶出柜外。如果變頻器功率較大，相應(yīng)的發(fā)熱量也大，可適當(dāng)?shù)脑龃蟪鰵忾y的開度，增加氣體流動(dòng)量，如果面板上儀表顯示壓力低于最低設(shè)定氣壓，再緩慢增大進(jìn)氣閥的開度，使腔內(nèi)壓力維持在一個(gè)合理范圍。這時(shí)正壓柜處于一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，不停的帶走變頻器工作時(shí)所產(chǎn)生的熱量，正壓腔內(nèi)的溫度也就不會(huì)升高，保證變頻器安全可靠運(yùn)行。

一臺(tái)正壓柜到底需要提供多大流量的壓縮氣源，主要看整個(gè)正壓柜內(nèi)發(fā)熱量的大小，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，如果柜內(nèi)需排出1kW功耗產(chǎn)生的熱量，要求的排風(fēng)量是360m3/h。這樣就可以根據(jù)柜內(nèi)變頻器的發(fā)熱量，大致計(jì)算出所需壓縮氣源的最小流量。理論上講，不管柜內(nèi)產(chǎn)生多少發(fā)熱量，這要排氣量達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)，變頻器就可以安全可靠的運(yùn)行。

4 對(duì)比分析

隔爆型和正壓通風(fēng)型防爆變頻柜在爆炸性危險(xiǎn)場(chǎng)所使用具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)相對(duì)于隔爆型防爆結(jié)構(gòu)，正壓通風(fēng)型變頻柜更容易設(shè)計(jì)制造；但隔爆型變頻柜安裝維護(hù)簡便，適合使用的危險(xiǎn)區(qū)域多。

(2)正壓通風(fēng)柜現(xiàn)場(chǎng)必須提供連續(xù)不斷的壓縮氣源，使用場(chǎng)所有一定的局限性，在不具備氣源的場(chǎng)所其運(yùn)行成本較高。

(3)對(duì)于大功率的變頻器，正壓通風(fēng)柜的散熱性能好，優(yōu)于隔爆型柜體。

(4)外觀上來看，正壓通風(fēng)柜要比隔爆型柜體更加美觀和輕便，遠(yuǎn)距離運(yùn)輸成本低。

5 結(jié)語

本文分析了目前防爆變頻器兩種主要的防爆處理方式，并比較了它們的優(yōu)缺點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，通過不斷的研究，在滿足國家和行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的防爆要求的前提下，一定會(huì)研制出成本更低，散熱效果更好的防爆處理方式。