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淺談防爆變頻器的散熱設計
作者:管理員  發布時間:2021/1/30 16:42:28  點擊率:38149

摘 要 變頻器主要對電動機進行無極調速。隨著自動化技術的快速發展,工業生產中對電機的調速應用越來越多,而在爆炸性危險場所中,必須對變頻器進行防爆處理。著重對隔爆型和正壓通風型變頻器的結構設計進行了論述。


關鍵詞 防爆變頻器;隔爆型;正壓型;散熱

0 引言


隨著我國工業的不斷發展,電氣傳動領域也發生了重大的技術變革。變頻器自上世紀80年代進入我國以來,在短短的幾十年里得到了非常廣泛的應用。


變頻器由初期的變壓變頻(VVVF)調速方案,到如今的矢量、直接轉矩控制方案,使變頻控制不僅具有穩態的控制特性,而且具有良好的動態性能;不僅降低的啟動電流,保護了電機,而且具有良好的調速特性和節能效果,可以與直流調速系統相媲美;不僅解決了風機、泵類等負載的拖動,而且也解決了帶式輸送機、刮板輸送機、絞車、提升機等低速大扭矩等場合的控制。


石油化工行業是國民經濟發展的基礎行業,同時也是能耗大戶。石化行業作為一個特殊的行業,有其獨特的背景。風機、泵類負載也成了石化企業最主要的能耗設備,在實際生產中,這些設備都有較大的裕度,機泵的負載率通常只有60%~80%,而且很多采油設備是全天候工作,因此采用變頻技術不僅可以節約能耗,而且還能延長設備使用壽命,所以變頻器獲得廣泛應用,成為企業降低生產成本的有效途徑,直接影響到企業經濟效益。

防爆變頻器柜

1 設計原理


變頻器的調速范圍大,可以通過改變電機電源頻率方式進行無極調速,但是在有爆炸性氣體混合物的危險場所中使用,必須對變頻器進行防爆處理。其設計原則為


(1)采用國標GB 3836.1—2010 爆炸性氣體環境 第1部分:通用要求、GB 3836.2—2010爆炸性環境第2部分:由外殼“d”保護的設備和GB/T 3836.5—2017 爆炸性氣體環境用電氣設備第5部分:由正壓外殼“p”保護的設備進行設計。


(2)滿足石油化工現場對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場所長期安全運行。

2 防爆變頻器所采用的防爆型式


根據變頻器的內部結構和發熱原理,目前各個廠家普遍采用的是隔爆型和正壓通風型兩種防爆型式。

2.1 隔爆型


此種防爆型式是我國防爆行業采用的最為廣泛的一種形式,防爆原理是將能產生火花電弧的部件置于隔爆殼體內,隔爆外殼能承受內部的爆炸壓力而不致損壞,并能保證內部的火焰不能傳導到外部危險環境中,因此隔爆外殼應有耐爆性和隔爆性兩種特性。


(1)耐爆性


隔爆型電氣設備的耐爆性其實就是外殼的強度問題,它是由外殼的材質和機械強度來保證。因此外殼必須有足夠的堅固性,以及外殼在熱源的作用下,即便經爆炸之后,也不能有變形或者破損。


在隔爆型電氣設備的制造和維修過程中,規定不同容積的外殼其內部承受壓力試驗(一般為水壓)的數值亦不同。對于小型設備不能測定參考壓力時,則應采用下列相應壓力進行靜壓試驗,如表1所示。


表1 不同容積不同氣體類別的水壓試壓壓力

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(2)隔爆性


隔爆型電氣設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合面,其接合縫隙稱為隔爆結合面間隙。


隔爆外殼的隔爆性是建立在隔爆接合面對內部的爆炸火焰有冷卻作用為理論基礎的。隔爆接合面的結構應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、法蘭至殼體內緣的距離l應符合GB 3836.2表1~表2的規定,對于ⅡC外殼的螺紋隔爆接合面應符合表3~表4的規定。隔爆面的表面粗糙度Ra應不低于6.3μm,隔爆螺紋的精度應不低于6H/6g。為了防銹防腐,隔爆面的表面應該涂防銹油脂。

2.2 正壓型


這種防爆型式的防爆原理是保證內部保護氣體(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入外殼內,或保證足量的保護氣體通過使內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 爆炸性氣體環境用電氣設備第5部分:由正壓外殼“p”保護的設備的規定,正壓型防爆電氣設備在安全措施上必須滿足如下幾個方面的要求。


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


(2)必須有可靠的措施保證正壓型防爆電氣設備在投入運行前,首先進行換氣工作,即用足量的保護性氣體通過正壓外殼和管道,使正壓外殼和管道內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“換氣時間”的兩個技術參數的設定問題,而這兩個參數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,換氣量和換氣時間直接關系到標準要求“用足量的保護氣體”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,正壓外殼內裝的所有電氣設備是不能帶電的。只有形成滿足或者高于標準的正壓值50Pa時,正壓外殼內的所有電氣設備才能通電。


(4)電氣設備必須有可靠的自動連鎖裝置,保證在啟動和運行中,當正壓外殼內正壓降至低于規定最小值時,用于1區的正壓型防爆電氣設備須能自動切斷電源,用于2區的防爆電氣設備可發出連續的聲或光報警信號。

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行過程中要產生一定的功耗。由于使用器件不同,控制方式不同,不同品牌,不同規格的變頻器所產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%,控制及保護電路為5%~15%。10℃法則表明當器件溫度降低10℃,器件的可靠性增長一倍。可見如何處理變頻器的散熱,降低溫升,提高器件的可靠性,從而延長設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


對于小功率的變頻器,因發熱量不是太大,可以放置在隔爆腔內,變頻器產生的熱量通過防爆金屬外殼傳導出箱外;由于傳導速度緩慢,一般還需對變頻器降容使用,降低其發熱量,且適當放大隔爆腔體,從而增大隔爆外殼的散熱面積;對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生的熱量帶出,這樣一來,就必須尋求其他的方式同時達到散熱和隔爆的效果。大功率的變頻器根據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。


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、吸液芯和端蓋構成;其工作原理是:將管內抽成1.3×(0.1~0.0001)Pa的負壓后充以適量的工作液體,這種液體沸點低,容易揮發。管壁有吸液芯,其由毛細多孔材料構成。管的一端為冷凝段(冷卻段),另一端為蒸發段(加熱段),根據應用需要在兩段中間加入絕熱段。當熱管的一端受熱時毛紉芯的液體蒸發汽化,蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結成液體,液體再沿多空材料靠毛細力的作用流回蒸發段。如此往復,不斷的將熱量從蒸發段傳至冷凝段。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,并使管內工質不與外界進行熱量傳遞。


根據上面變頻器的熱量能耗分析:90%的發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)單獨安裝在基板內表面上(基板材質可以為銅或者鋁型材,銅的導熱性優于鋁,但成本高),在安裝固定這些功率器件時,需在基板和發熱元件之間直接加導熱硅膠,保證其之間的導熱性能。蒸發段以壓裝方式裝入銅或鋁材制成的基座內,冷凝段壓裝鋁質散熱片,形成熱管散熱器。在隔爆腔后壁開一個矩形口,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到或高于GB 3836.2—2010標準。隔爆面四周用螺絲緊固。安裝方式。


這樣變頻器在工作中產生的主要熱量,通過防爆腔后壁的基板直接傳導到熱管上,并通過散熱片迅速散發到隔爆腔外的空氣中,保證箱體內部的溫升在變頻器的允許范圍之內。如果現場危險環境密閉,空氣流動性差,為了加速熱管和散熱片上的熱量散發,可以在熱管的正下方配一個防爆風機,這樣散熱效果更佳。


那么變頻器放置在隔爆殼體內,多大功率以下的可以采用自然散熱。


對于自然散熱,目前的廠家一般按照某公司提供的經驗公式來計算的。


Q=KA△T


(1)


式中,Q—柜體表面積發散的熱量,W;K—熱傳導系數,W/ m2K,其值根據柜體材質不同而不同,一般來說,鋼板為5.5,鋁板為1.1,塑料為0.3。A—柜體實際散熱面積,m2,柜體的安裝方式對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算方法。


(1)單個柜體,四周有空:A=1.8×高×(寬+深)+1.4×寬×深


(2)單個柜體,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—柜內外的溫差,柜體內部的溫度減去柜體外面的溫度(即現場環境溫度)。


按照GB 3836.2—2010對隔爆殼體的要求,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,同時假設此柜體位于中間且四周都有空,根據某公司提供的典型散熱面積的計算方法(7),那么此柜體的散熱面積大約為4.32m2;若現場環境溫度為:25℃(變頻器工作環境是-10℃~+50℃之間)。


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


如果隔爆腔不考慮其它發熱元件引起的溫升,變頻器的發熱量就不能超過594W。否則就超過了變頻器的最高工作環境溫度。相同功率的變頻器,不同的廠家生產的體積和發熱量均有所不同。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,就可以將變頻器產生的90%的熱量全部帶出柜外(實際會有小部分熱量留在腔內);那么該隔爆腔就能放置產生594W÷10%=5940W發熱量的變頻器,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。按照以上的計算方法進行推算,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準,隔爆腔的外形也不宜大于上面描述的尺寸。


3.2.2 正壓通風散熱


采用介質隔離點燃源達到電器防爆的目的,是正壓通風防爆柜的防爆原理。隔離介質可以用壓縮空氣罐、壓縮機或鼓風機等供氣,保護氣源壓力在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,需首先進行換氣操作程序,將箱內原有的防爆性氣體得到的稀釋程度到達安全界限以下。在換氣時,需將進、出氣閥開至最大,達到充分置換目的,換氣量需不少于正壓腔凈容量的5倍,箱內的爆炸性氣體溶度可降低至安全界限以下。在正壓時,腔內每一部位相對外部大氣壓應保持的最低壓力:對于“Px”型為50Pa,對于“Pz”型為25Pa (制造廠應規定腔內最低和最高正壓值,但不低于GB標準)。簡易管路連接。


正壓通風型防爆柜為不間斷連續供風,當變頻器安裝在正壓柜內運行,所產生的熱量將連續不斷的被帶出柜外。如果變頻器功率較大,相應的發熱量也大,可適當的增大出氣閥的開度,增加氣體流動量,如果面板上儀表顯示壓力低于最低設定氣壓,再緩慢增大進氣閥的開度,使腔內壓力維持在一個合理范圍。這時正壓柜處于一個動態平衡狀態,不停的帶走變頻器工作時所產生的熱量,正壓腔內的溫度也就不會升高,保證變頻器安全可靠運行。


一臺正壓柜到底需要提供多大流量的壓縮氣源,主要看整個正壓柜內發熱量的大小,根據經驗公式,如果柜內需排出1kW功耗產生的熱量,要求的排風量是360m3/h。這樣就可以根據柜內變頻器的發熱量,大致計算出所需壓縮氣源的最小流量。理論上講,不管柜內產生多少發熱量,這要排氣量達到這一標準,變頻器就可以安全可靠的運行。

4 對比分析


隔爆型和正壓通風型防爆變頻柜在爆炸性危險場所使用具有各自的優缺點,具體表現在以下幾個方面。


(1)相對于隔爆型防爆結構,正壓通風型變頻柜更容易設計制造;但隔爆型變頻柜安裝維護簡便,適合使用的危險區域多。


(2)正壓通風柜現場必須提供連續不斷的壓縮氣源,使用場所有一定的局限性,在不具備氣源的場所其運行成本較高。


(3)對于大功率的變頻器,正壓通風柜的散熱性能好,優于隔爆型柜體。


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

5 結語


本文分析了目前防爆變頻器兩種主要的防爆處理方式,并比較了它們的優缺點。隨著科學技術的進一步發展,通過不斷的研究,在滿足國家和行業相關標準的防爆要求的前提下,一定會研制出成本更低,散熱效果更好的防爆處理方式。

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