浅谈防爆变频器的散热设计

(华荣科技股份有限公司，上海 201808)

0 引言

随着我国工业的不断发展，电气传动领域也发生了重大的技术变革。变频器自上世纪80年代进入我国以来，在短短的几十年里得到了非常广泛的应用。

变频器由初期的变压变频(VVVF)调速方案，到如今的矢量、直接转矩控制方案，使变频控制不仅具有稳态的控制特性，而且具有良好的动态性能；不仅降低的启动电流，保护了电机，而且具有良好的调速特性和节能效果，可以与直流调速系统相媲美；不仅解决了风机、泵类等负载的拖动，而且也解决了带式输送机、刮板输送机、绞车、提升机等低速大扭矩等场合的控制。

石油化工行业是国民经济发展的基础行业，同时也是能耗大户。石化行业作为一个特殊的行业，有其独特的背景。风机、泵类负载也成了石化企业最主要的能耗设备，在实际生产中，这些设备都有较大的裕度，机泵的负载率通常只有60%～80%，而且很多采油设备是全天候工作，因此采用变频技术不仅可以节约能耗，而且还能延长设备使用寿命，所以变频器获得广泛应用，成为企业降低生产成本的有效途径，直接影响到企业经济效益。

1 设计原理

变频器的调速范围大，可以通过改变电机电源频率方式进行无极调速，但是在有爆炸性气体混合物的危险场所中使用，必须对变频器进行防爆处理。其设计原则为

(1)采用国标GB 3836.1—2010 爆炸性气体环境 第1部分：通用要求、GB 3836.2—2010爆炸性环境第2部分：由外壳“d”保护的设备和GB/T 3836.5—2017 爆炸性气体环境用电气设备第5部分：由正压外壳“p”保护的设备进行设计。

(2)满足石油化工现场对防爆变频器的使用要求。

(3)保证防爆变频器在爆炸性混合物危险场所长期安全运行。

2 防爆变频器所采用的防爆型式

根据变频器的内部结构和发热原理，目前各个厂家普遍采用的是隔爆型和正压通风型两种防爆型式。

2.1 隔爆型

此种防爆型式是我国防爆行业采用的最为广泛的一种形式，防爆原理是将能产生火花电弧的部件置于隔爆壳体内，隔爆外壳能承受内部的爆炸压力而不致损坏，并能保证内部的火焰不能传导到外部危险环境中，因此隔爆外壳应有耐爆性和隔爆性两种特性。

(1)耐爆性

隔爆型电气设备的耐爆性其实就是外壳的强度问题，它是由外壳的材质和机械强度来保证。因此外壳必须有足够的坚固性，以及外壳在热源的作用下，即便经爆炸之后，也不能有变形或者破损。

在隔爆型电气设备的制造和维修过程中，规定不同容积的外壳其内部承受压力试验(一般为水压)的数值亦不同。对于小型设备不能测定参考压力时，则应采用下列相应压力进行静压试验，如表1所示。

表1 不同容积不同气体类别的水压试压压力

(2)隔爆性

隔爆型电气设备的隔爆性要求壳体上所有通过装配的零部件与大气沟通的间隙都能阻止火焰向外传播，这些特殊的间隙称为隔爆结合面，其接合缝隙称为隔爆结合面间隙。

隔爆外壳的隔爆性是建立在隔爆接合面对内部的爆炸火焰有冷却作用为理论基础的。隔爆接合面的结构应该能保证熄灭间隙中的火焰，损失至少20%的能量。为此隔爆接合面的宽度L、间隙(或直径差)i、法兰至壳体内缘的距离l应符合GB 3836.2表1～表2的规定，对于ⅡC外壳的螺纹隔爆接合面应符合表3～表4的规定。隔爆面的表面粗糙度Ra应不低于6.3μm，隔爆螺纹的精度应不低于6H/6g。为了防锈防腐，隔爆面的表面应该涂防锈油脂。

2.2 正压型

这种防爆型式的防爆原理是保证内部保护气体(一般洁净的空气或者惰性气体)的压力高于周围以免爆炸性混合物进入外壳内，或保证足量的保护气体通过使内部的爆炸性混合物的浓度降至爆炸下限以下。按照GB/T 3836.5—2017 爆炸性气体环境用电气设备第5部分：由正压外壳“p”保护的设备的规定，正压型防爆电气设备在安全措施上必须满足如下几个方面的要求。

(1)正压型防爆电气设备在投入运行前或退出运行后所有可能带电的电气部分必须采用了相应的防爆型式。

(2)必须有可靠的措施保证正压型防爆电气设备在投入运行前，首先进行换气工作，即用足量的保护性气体通过正压外壳和管道，使正压外壳和管道内部在未形成正压前有可能存在的爆炸性混合物浓度降至爆炸下限以下的过程。这里涉及到“换气量”和“换气时间”的两个技术参数的设定问题，而这两个参数直接与正压外壳和管道的净容积及气流量的大小密不可分，换气量和换气时间直接关系到标准要求“用足量的保护气体”和“爆炸性混合物浓度降至爆炸下限以下”的要求。

(3) 必须有可靠的措施保证正压外壳和管道在未形成正压前，正压外壳内装的所有电气设备是不能带电的。只有形成满足或者高于标准的正压值50Pa时，正压外壳内的所有电气设备才能通电。

(4)电气设备必须有可靠的自动连锁装置，保证在启动和运行中，当正压外壳内正压降至低于规定最小值时，用于1区的正压型防爆电气设备须能自动切断电源，用于2区的防爆电气设备可发出连续的声或光报警信号。

3 防爆变频器的散热处理

3.1 散热的必要性

变频器作为一种变流器在运行过程中要产生一定的功耗。由于使用器件不同，控制方式不同，不同品牌，不同规格的变频器所产生的功耗也不尽相同。资料表明变频器的功耗一般为其容量的4%～5%。其中逆变部分约占50%，整流及直流回路约40%，控制及保护电路为5%～15%。10℃法则表明当器件温度降低10℃，器件的可靠性增长一倍。可见如何处理变频器的散热，降低温升，提高器件的可靠性，从而延长设备的使用寿命是防爆变频器首要解决的问题。

3.2 散热的处理方式

对于小功率的变频器，因发热量不是太大，可以放置在隔爆腔内，变频器产生的热量通过防爆金属外壳传导出箱外；由于传导速度缓慢，一般还需对变频器降容使用，降低其发热量，且适当放大隔爆腔体，从而增大隔爆外壳的散热面积；对于大功率的变频器而言，因加工精度和爆炸能量的限制，隔爆腔不能过于庞大，而且靠壳体自然散热无法将不断产生的热量带出，这样一来，就必须寻求其他的方式同时达到散热和隔爆的效果。大功率的变频器根据防爆型式的不同一般选择以下两种散热方式：热管和正压通风。

3.2.1 热管散热

热管是具有极高效能的传热元件，典型的热管一般由管壳、吸液芯和端盖构成；其工作原理是：将管内抽成1.3×(0.1～0.0001)Pa的负压后充以适量的工作液体，这种液体沸点低，容易挥发。管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。管的一端为冷凝段(冷却段)，另一端为蒸发段(加热段)，根据应用需要在两段中间加入绝热段。当热管的一端受热时毛纫芯的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多空材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此往复，不断的将热量从蒸发段传至冷凝段。绝热段作用除了为流体提高通道外，还起着把蒸汽段和冷凝段隔开的作用，并使管内工质不与外界进行热量传递。

根据上面变频器的热量能耗分析：90%的发热量来源于主回路的整流和逆变部分，我们将此部分(主要指绝缘栅双极晶体管，简称IGBT模块)单独安装在基板内表面上(基板材质可以为铜或者铝型材，铜的导热性优于铝，但成本高)，在安装固定这些功率器件时，需在基板和发热元件之间直接加导热硅胶，保证其之间的导热性能。蒸发段以压装方式装入铜或铝材制成的基座内，冷凝段压装铝质散热片，形成热管散热器。在隔爆腔后壁开一个矩形口，并焊接隔爆法兰面，与基板四周相匹配，并满足防爆接合面的表面粗糙度Ra不超过6.3μm，其接合面的宽度和间隙均需达到或高于GB 3836.2—2010标准。隔爆面四周用螺丝紧固。安装方式如图1所示。

图1 安装方式

这样变频器在工作中产生的主要热量，通过防爆腔后壁的基板直接传导到热管上，并通过散热片迅速散发到隔爆腔外的空气中，保证箱体内部的温升在变频器的允许范围之内。如果现场危险环境密闭，空气流动性差，为了加速热管和散热片上的热量散发，可以在热管的正下方配一个防爆风机，这样散热效果更佳。

那么变频器放置在隔爆壳体内，多大功率以下的可以采用自然散热。

对于自然散热，目前的厂家一般按照某公司提供的经验公式来计算的。

Q=KA△T

(1)

式中，Q—柜体表面积发散的热量，W；K—热传导系数，W/ m2K，其值根据柜体材质不同而不同，一般来说，钢板为5.5，铝板为1.1，塑料为0.3。A—柜体实际散热面积，m2，柜体的安装方式对柜体的散热有较大影响，某公司提供了如下几种典型安装方式的散热面积计算方法。

(1)单个柜体，四周有空：A=1.8×高×(宽+深)+1.4×宽×深

(2)单个柜体，用于壁装：A=1.4×宽×(高+深)+1.8×深×高

(3)起始或终端柜体，四周有空：A=1.4×宽×(高+深)+1.8×宽×高

(4)起始或终端柜体，四周有空：A=1.4×高×(宽+深)+1.4×宽×深

(5)位于中间的柜体，四周有空：A=1.8×宽×高+1.4×宽×深+深×高

(6)位于中间的柜体，用于壁装：A=1.4×宽×(高+深)+深×高

(7)位于中间的柜体，用于壁装，顶部覆盖：A=1.4×宽×高+0.7×宽×深+深×高

△T—柜内外的温差，柜体内部的温度减去柜体外面的温度(即现场环境温度)。

按照GB 3836.2—2010对隔爆壳体的要求，钢制的隔爆型壳体的尺寸的上限最大为1.2米(宽)×1.2米(高)×0.6米(深)。若将某一变频器置于此腔体内，同时假设此柜体位于中间且四周都有空，根据某公司提供的典型散热面积的计算方法(7)，那么此柜体的散热面积大约为4.32m2；若现场环境温度为：25℃(变频器工作环境是-10℃～+50℃之间)。

那么根据式(1),此钢制柜体的最大能散发的热量为5.5×4.32×(50-25)=594W。

如果隔爆腔不考虑其它发热元件引起的温升，变频器的发热量就不能超过594W。否则就超过了变频器的最高工作环境温度。相同功率的变频器，不同的厂家生产的体积和发热量均有所不同。如果仅考虑通过隔爆柜体的表面自然散热，1.2米(宽)×1.2米(高)×0.6米(深)的隔爆腔体就只能放置18.5kW及以下的变频器。

但如果采用热管散热处理，就可以将变频器产生的90%的热量全部带出柜外(实际会有小部分热量留在腔内)；那么该隔爆腔就能放置产生594W÷10%=5940W发热量的变频器，大概可以得出变频器的功率为5940W÷5%=118.8kW。换句话说，采用隔爆型热管散热的方法，可以放置到110kW及以下的变频器。按照以上的计算方法进行推算，如果增大隔爆腔尺寸，所放置的变频器的功率还可增大。但在正常情况下，考虑到隔爆壳体的耐压和加工精度必须满足防爆标准，隔爆腔的外形也不宜大于上面描述的尺寸。

3.2.2 正压通风散热

采用介质隔离点燃源达到电器防爆的目的，是正压通风防爆柜的防爆原理。隔离介质可以用压缩空气罐、压缩机或鼓风机等供气，保护气源压力在0.2～0.8MPa均可，气体类型为洁净空气或惰性气体；在通电使用之前，需首先进行换气操作程序，将箱内原有的防爆性气体得到的稀释程度到达安全界限以下。在换气时，需将进、出气阀开至最大，达到充分置换目的，换气量需不少于正压腔净容量的5倍，箱内的爆炸性气体溶度可降低至安全界限以下。在正压时，腔内每一部位相对外部大气压应保持的最低压力：对于“Px”型为50Pa，对于“Pz”型为25Pa (制造厂应规定腔内最低和最高正压值，但不低于GB标准)。简易管路连接如图2所示。

图2 简易管路连接

正压通风型防爆柜为不间断连续供风，当变频器安装在正压柜内运行，所产生的热量将连续不断的被带出柜外。如果变频器功率较大，相应的发热量也大，可适当的增大出气阀的开度，增加气体流动量，如果面板上仪表显示压力低于最低设定气压，再缓慢增大进气阀的开度，使腔内压力维持在一个合理范围。这时正压柜处于一个动态平衡状态，不停的带走变频器工作时所产生的热量，正压腔内的温度也就不会升高，保证变频器安全可靠运行。

一台正压柜到底需要提供多大流量的压缩气源，主要看整个正压柜内发热量的大小，根据经验公式，如果柜内需排出1kW功耗产生的热量，要求的排风量是360m3/h。这样就可以根据柜内变频器的发热量，大致计算出所需压缩气源的最小流量。理论上讲，不管柜内产生多少发热量，这要排气量达到这一标准，变频器就可以安全可靠的运行。

4 对比分析

隔爆型和正压通风型防爆变频柜在爆炸性危险场所使用具有各自的优缺点，具体表现在以下几个方面。

(1)相对于隔爆型防爆结构，正压通风型变频柜更容易设计制造；但隔爆型变频柜安装维护简便，适合使用的危险区域多。

(2)正压通风柜现场必须提供连续不断的压缩气源，使用场所有一定的局限性，在不具备气源的场所其运行成本较高。

(3)对于大功率的变频器，正压通风柜的散热性能好，优于隔爆型柜体。

(4)外观上来看，正压通风柜要比隔爆型柜体更加美观和轻便，远距离运输成本低。

5 结语

本文分析了目前防爆变频器两种主要的防爆处理方式，并比较了它们的优缺点。随着科学技术的进一步发展，通过不断的研究，在满足国家和行业相关标准的防爆要求的前提下，一定会研制出成本更低，散热效果更好的防爆处理方式。