摘 要 變頻器主要對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行無(wú)極調(diào)速
。隨著自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展
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,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(guó)以來(lái),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(dòng)態(tài)性能;不僅降低的啟動(dòng)電流,保護(hù)了電機(jī),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(jī)、泵類(lèi)等負(fù)載的拖動(dòng),而且也解決了帶式輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)、絞車(chē)
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)
1 設(shè)計(jì)原理
變頻器的調(diào)速范圍大,可以通過(guò)改變電機(jī)電源頻率方式進(jìn)行無(wú)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?xún)煞N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(wèn)題,它是由外殼的材質(zhì)和機(jī)械強(qiáng)度來(lái)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,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(guò)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(lèi)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(guò)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(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?chē)悦獗ㄐ曰旌衔镞M(jìn)入外殼內(nèi),或保證足量的保護(hù)氣體通過(guò)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(guò)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(guò)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(wèn)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),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(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(guò)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
根據(jù)上面變頻器的熱量能耗分析:90%的發(fā)熱量來(lái)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,通過(guò)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),多大功率以下的可以采用自然散熱
對(duì)于自然散熱
Q=KA△T
(1)
式中
(1)單個(gè)柜體
(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
(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
(7)位于中間的柜體
△T—柜內(nèi)外的溫差
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)
。若將某一變頻器置于此腔體內(nèi),同時(shí)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(jì)算方法(7),那么此柜體的散熱面積大約為4.32m2;若現(xiàn)場(chǎng)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(guò)594W。否則就超過(guò)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(guò)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(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,是正壓通風(fēng)防爆柜的防爆原理
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(kāi)度,增加氣體流動(dòng)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(kāi)度,使腔內(nèi)壓力維持在一個(gè)合理范圍。這時(shí)正壓柜處于一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),不停的帶走變頻器工作時(shí)所產(chǎn)生的熱量,正壓腔內(nèi)的溫度也就不會(huì)升高,保證變頻器安全可靠運(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,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,大致計(jì)算出所需壓縮氣源的最小流量。理論上講,不管柜內(nèi)產(chǎn)生多少發(fā)熱量,這要排氣量達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn),變頻器就可以安全可靠的運(yùn)行。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(lái)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(yǔ)
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(guò)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