摘 要 變頻器主要對電動機進(jìn)行無極調(diào)速
。隨著自動化技術(shù)的快速發(fā)展,工業(yè)生產(chǎn)中對電機的調(diào)速應(yīng)用越來越多,而在爆炸性危險場所中,必須對變頻器進(jìn)行防爆處理。著重對隔爆型和正壓通風(fēng)型變頻器的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(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,而且具有良好的動態(tài)性能;不僅降低的啟動電流,保護(hù)了電機,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、泵類等負(fù)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(yè)是國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)行業(yè)
1 設(shè)計原理
變頻器的調(diào)速范圍大
,可以通過改變電機電源頻率方式進(jìn)行無極調(diào)速,但是在有爆炸性氣體混合物的危險場所中使用,必須對變頻器進(jìn)行防爆處理。其設(shè)計原則為
(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
。
(2)滿足石油化工現(xiàn)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(jù)變頻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和發(fā)熱原理
,目前各個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)備的耐爆性其實就是外殼的強度問題
,它是由外殼的材質(zhì)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(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
表1 不同容積不同氣體類別的水壓試壓壓力
[width=434,height=123,dpi=110]
(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
隔爆外殼的隔爆性是建立在隔爆接合面對內(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
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(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“換氣時間”的兩個技術(shù)參數(shù)的設(shè)定問題,而這兩個參數(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,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連鎖裝置,保證在啟動和運行中
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(chǎn)生一定的功耗
3.2 散熱的處理方式
對于小功率的變頻器,因發(fā)熱量不是太大
3.2.1 熱管散熱
熱管是具有極高效能的傳熱元件
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
這樣變頻器在工作中產(chǎn)生的主要熱量
那么變頻器放置在隔爆殼體內(nèi)
對于自然散熱,目前的廠家一般按照某公司提供的經(jīng)驗公式來計算的
Q=KA△T
(1)
式中
(1)單個柜體,四周有空:A=1.8×高×(寬+深)+1.4×寬×深
(2)單個柜體
(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
,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)場環(huán)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(nèi),同時假設(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算方法(7),那么此柜體的散熱面積大約為4.32m2;若現(xiàn)場環(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(實際會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
3.2.2 正壓通風(fēng)散熱
采用介質(zhì)隔離點燃源達(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)壓力維持在一個合理范圍。這時正壓柜處于一個動態(tài)平衡狀態(tài),不停的帶走變頻器工作時所產(chǎn)生的熱量,正壓腔內(nèi)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(nèi)發(fā)熱量的大小,根據(jù)經(jīng)驗公式,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4 對比分析
隔爆型和正壓通風(fēng)型防爆變頻柜在爆炸性危險場所使用具有各自的優(yōu)缺點
(1)相對于隔爆型防爆結(jié)構(gòu),正壓通風(fēng)型變頻柜更容易設(shè)計制造
(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行成本較高。
(3)對于大功率的變頻器
,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。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,一定會研制出成本更低,散熱效果更好的防爆處理方式。