摘 要 變頻器主要對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行無極調(diào)速。隨著自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展
,工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)電機(jī)的調(diào)速應(yīng)用越來越多,而在爆炸性危險(xiǎn)場所中,必須對(duì)變頻器進(jìn)行防爆處理。著重對(duì)隔爆型和正壓通風(fēng)型變頻器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了論述。
關(guān)鍵詞 防爆變頻器
;隔爆型;正壓型;散熱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
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
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
(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
(2)滿足石油化工現(xiàn)場對(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
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
(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
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)備不能測定參考?jí)毫r(shí)
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(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
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
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)
(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
(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
(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
3.2 散熱的處理方式
對(duì)于小功率的變頻器
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
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。
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
那么變頻器放置在隔爆殼體內(nèi)
對(duì)于自然散熱
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
(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
(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
△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)
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
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
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
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
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)場所使用具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)
(1)相對(duì)于隔爆型防爆結(jié)構(gòu)
(2)正壓通風(fēng)柜現(xiàn)場必須提供連續(xù)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(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。