摘 要 變頻器主要對電動機(jī)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(jī)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
關(guān)鍵詞 防爆變頻器
0 引言
隨著我國工業(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
、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(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)、泵類等負(fù)載的拖動,而且也解決了帶式輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)、絞車、提升機(jī)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(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)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(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,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(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,規(guī)定不同容積的外殼其內(nèi)部承受壓力試驗(一般為水壓)的數(shù)值亦不同
。對于小型設(shè)備不能測定參考壓力時,則應(yīng)采用下列相應(yīng)壓力進(jìn)行靜壓試驗,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
(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
(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。由于使用器件不同
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
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,通過防爆腔后壁的基板直接傳導(dǎo)到熱管上
,并通過散熱片迅速散發(fā)到隔爆腔外的空氣中,保證箱體內(nèi)部的溫升在變頻器的允許范圍之內(nèi)。如果現(xiàn)場危險環(huán)境密閉,空氣流動性差,為了加速熱管和散熱片上的熱量散發(fā),可以在熱管的正下方配一個防爆風(fēng)機(jī)
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,用于壁裝:A=1.4×寬×(高+深)+1.8×深×高
(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
,四周有空:A=1.4×高×(寬+深)+1.4×寬×深
(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
,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。按照以上的計算方法進(jìn)行推算
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
,是正壓通風(fēng)防爆柜的防爆原理。隔離介質(zhì)可以用壓縮空氣罐、壓縮機(jī)或鼓風(fēng)機(jī)等供氣,保護(hù)氣源壓力在0.2~0.8MPa均可,氣體類型為潔凈空氣或惰性氣體;在通電使用之前,需首先進(jìn)行換氣操作程序,將箱內(nèi)原有的防爆性氣體得到的稀釋程度到達(dá)安全界限以下。在換氣時,需將進(jìn)、出氣閥開至最大,達(dá)到充分置換目的,換氣量需不少于正壓腔凈容量的5倍,箱內(nèi)的爆炸性氣體溶度可降低至安全界限以下。在正壓時,腔內(nèi)每一部位相對外部大氣壓應(yīng)保持的最低壓力:對于“Px”型為50Pa,對于“Pz”型為25Pa (制造廠應(yīng)規(guī)定腔內(nèi)最低和最高正壓值,但不低于GB標(biāo)準(zhǔn))。簡易管路連接。
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
一臺正壓柜到底需要提供多大流量的壓縮氣源
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
,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(fēng)型變頻柜更容易設(shè)計制造;但隔爆型變頻柜安裝維護(hù)簡便,適合使用的危險區(qū)域多。
(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
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