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(chǎng)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(guó)工業(yè)的不斷發(fā)展
變頻器由初期的變壓變頻(VVVF)調(diào)速方案,到如今的矢量
石油化工行業(yè)是國(guó)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(zhǎng)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(guó)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(zhǎng)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(guó)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
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
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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,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)
(4)電氣設(shè)備必須有可靠的自動(dòng)連鎖裝置
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
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
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(duì)于自然散熱
Q=KA△T
(1)
式中,Q—柜體表面積發(fā)散的熱量
(1)單個(gè)柜體
(2)單個(gè)柜體
(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
(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
△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
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
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,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
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
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(jiǎn)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(guó)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。- 相關(guān)產(chǎn)品