摘 要 變頻器主要對電動機進行無極調(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(jié)構(gòu)設計進行了論述。
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
,電氣傳動領域也發(fā)生了重大的技術(shù)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(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,保護了電機
石油化工行業(yè)是國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎行業(yè)
,同時也是能耗大戶。石化行業(yè)作為一個特殊的行業(yè),有其獨特的背景。風機、泵類負載也成了石化企業(yè)最主要的能耗設備,在實際生產(chǎn)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(shù)不僅可以節(jié)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(yè)降低生產(chǎn)成本的有效途徑,直接影響到企業(yè)經(jīng)濟效益。
1 設計原理
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(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”保護的設備和GB/T 3836.5—2017 爆炸性氣體環(huán)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(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)部的火焰不能傳導到外部危險環(huán)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(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
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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(jié)合面
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的。隔爆接合面的結(jié)構(gòu)應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(nèi)
,或保證足量的保護氣體通過使內(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)境用電氣設備第5部分:由正壓外殼“p”保護的設備的規(guī)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(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(nèi)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(nèi)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
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
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
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),多大功率以下的可以采用自然散熱
對于自然散熱
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
但如果采用熱管散熱處理
3.2.2 正壓通風散熱
采用介質(zhì)隔離點燃源達到電器防爆的目的
正壓通風型防爆柜為不間斷連續(xù)供風,當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,相應的發(fā)熱量也大,可適當?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定氣壓,再緩慢增大進氣閥的開度,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(yōu)缺點
,具體表現(xiàn)在以下幾個方面。
(1)相對于隔爆型防爆結(jié)構(gòu),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(qū)域多。
(2)正壓通風柜現(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(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
。隨著科學技術(shù)的進一步發(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。