高壓變頻器散熱冷卻問題研究及綜合解決方案探討

一、摘要

近十年，高壓變頻器得到廣泛應(yīng)用，但隨之而來的問題，因產(chǎn)品質(zhì)量不可靠，產(chǎn)品使用環(huán)境惡劣，造成變頻器故障常發(fā)，甚至造成變頻器炸機(jī)或燒毀事故時(shí)常發(fā)生。通過對(duì)大量用戶調(diào)研發(fā)現(xiàn)，早期變頻器發(fā)生故障，主要與各廠家的產(chǎn)品質(zhì)量有關(guān)，而在使用兩到三年后發(fā)生故障，則主要與使用環(huán)境有關(guān)。在多粉塵的使用場(chǎng)合，往往因?yàn)榉蹓m原因，導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部絕緣擊穿，發(fā)生拉弧現(xiàn)象，造成停機(jī)事故，更嚴(yán)重的會(huì)造成設(shè)備損壞或引發(fā)火災(zāi)。針對(duì)國內(nèi)變頻器使用環(huán)境特點(diǎn)，開發(fā)出的新一代無塵新風(fēng)系統(tǒng)，能夠很好的解決因?yàn)榄h(huán)境問題而造成的停機(jī)事故，其具有投資少，防塵效果好，維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在冶金、水泥、電力等多粉塵場(chǎng)合。

二、影響設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的因素分析

高壓變頻器的全生命周期的穩(wěn)定運(yùn)行因素如下：

長期穩(wěn)定運(yùn)行=A核心關(guān)鍵技術(shù)×B元器件質(zhì)量等級(jí)×C質(zhì)量控制水平×D生產(chǎn)工藝管控水平×E包裝運(yùn)輸質(zhì)量水平×F吊裝和安裝調(diào)試水平×G運(yùn)行管理水平×H運(yùn)行使用環(huán)境×I日常維護(hù)水平×J備品備件狀態(tài)。

A核心關(guān)鍵技術(shù)：   0-100分；

B元器件質(zhì)量：    0-100分；

C質(zhì)量控制水平：   0-100分；

D生產(chǎn)工藝管控水平： 0-100分；

E包裝運(yùn)輸質(zhì)量水平： 0-100分；

F吊裝和安裝調(diào)試水平：0-100分；

G運(yùn)行管理水平：   0-100分；

H運(yùn)行使用環(huán)境：   0-100分；

I日常維護(hù)水平：   0-100分；

J備品備件狀態(tài)：   0-100分；

以上高壓變頻器全生命周期內(nèi)的每個(gè)環(huán)節(jié)都按照0-100分計(jì)算，只要其中的任何一個(gè)環(huán)節(jié)不滿100分，都給高壓變頻器長期穩(wěn)定運(yùn)行留下隱患或?qū)е略O(shè)備故障停機(jī)。

對(duì)于高壓變頻器全生命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)中，A-E都是在變頻器生產(chǎn)廠家完成的，每一個(gè)環(huán)節(jié)都是經(jīng)過多項(xiàng)測(cè)試，同時(shí)我司擁有20余年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，在IGBT上有千百萬個(gè)驅(qū)動(dòng)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于高壓變頻器而言，核心部件為單元的控制系統(tǒng)以及功率單元器件。各個(gè)高壓變頻器廠家最終出問題基本上是在功率單元驅(qū)動(dòng)出的問題。從實(shí)際應(yīng)用中才能更好的了解高壓變頻器驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定性，其實(shí)解決問題的關(guān)鍵還是大量的應(yīng)用實(shí)踐來驗(yàn)證變頻器全生命周期的每一個(gè)環(huán)節(jié)，在應(yīng)用中隨著大量問題的出現(xiàn)從A-F這個(gè)環(huán)節(jié)在企業(yè)內(nèi)部是可以管控的，而環(huán)境（G-J）對(duì)電氣設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行影響較大，需要用戶重視并改善使用。

綜上所述，考慮到解決問題的主次先后順序分析，使用1年左右的高壓變頻器首先考慮溫度對(duì)變頻器核心器件的影響。

三、環(huán)境對(duì)核心器件的影響

高壓變頻器運(yùn)行過程中，要產(chǎn)生3～4％的熱量損耗。需要提供變頻器運(yùn)行溫度控制的解決方案，保證變頻器能夠在允許的環(huán)境條件下運(yùn)行。而長期的溫差變化、濕度與粉塵的影響，直接導(dǎo)致電路板電阻、電容等電子器件特性變差，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致故障。而電力電子管功率器件對(duì)溫度的敏感性更高，由于溫度原因直接引起器件不能正常工作。海拔高度、溫度變化等因素，直接需要降額使用，究其本質(zhì)也是溫度問題。因此，需要對(duì)變頻器的運(yùn)行環(huán)境散熱問題特別考慮并加以解決。

據(jù)一份美國軍方公布的電氣環(huán)境對(duì)電子設(shè)備安全的評(píng)估報(bào)告中顯示：在電力電子設(shè)備故障原因的調(diào)查分析中，85％是由于設(shè)備運(yùn)行環(huán)境因素所致，其中溫度原因占65％、粉塵影響14％、濕度11％、振動(dòng)和電磁噪聲10％；由此可見，環(huán)境對(duì)電氣設(shè)備安全的影響程度必須重視起來。

變頻器用電解電容器壽命與溫度的關(guān)系（圖1）

電容壽命參考德國進(jìn)口電容EPCOS，網(wǎng)址：。

不同溫度情況下IGBT參數(shù)的改變（圖2）

IGBT模塊加速循環(huán)載荷壽命試驗(yàn)曲線（圖3）

環(huán)境因素及技術(shù)要求（附表）

四、改善運(yùn)行環(huán)境的措施

1、風(fēng)道開放式冷卻。

風(fēng)道散熱示意圖（4）

優(yōu)點(diǎn)如下：

缺點(diǎn)：

2、 空調(diào)冷卻

空調(diào)冷卻密閉示意圖（5）

優(yōu)缺點(diǎn)如下表：

3、空水冷冷卻

3.1優(yōu)缺點(diǎn)：

3.2 冷水要求

1）總水流量：200立方米/小時(shí)。

2）水溫：低于33攝氏度。

3）水壓：0.25-0.4Mp。

4）水質(zhì)：PH約等于7（無酸堿腐蝕性）無懸浮物。

五、 常規(guī)性散熱冷卻系統(tǒng)主要問題

目前高壓變頻器采用的散熱冷卻方案主要存在以下幾點(diǎn)問題：

5.1 風(fēng)道散熱缺點(diǎn)：

（1）進(jìn)風(fēng)量?。悍块g負(fù)壓大，通風(fēng)困難，進(jìn)風(fēng)量?。?/p>

（2）粉塵大：房間粉塵大，日常維護(hù)工作量大需要每臺(tái)變頻器濾網(wǎng)拆下來清理維護(hù)。

（3）熱風(fēng)排到室外，冷卻風(fēng)量進(jìn)來少，熱風(fēng)只出不進(jìn)冷風(fēng)，室內(nèi)環(huán)境持續(xù)惡化，對(duì)變頻器的正常運(yùn)行帶來巨大隱患，同時(shí)溫度高也嚴(yán)重影響了變頻器的壽命，溫度對(duì)變頻器的壽命影響是指數(shù)倍的下降。

5.2 空調(diào)冷卻的缺點(diǎn)

（1）初期投入成本高：每500KW高壓變頻器有約15KW熱損耗，需要5P空調(diào)冷卻。

（2）運(yùn)行成本高：室內(nèi)溫度控制在30℃以內(nèi)，每500W高壓變頻器每小時(shí)散熱耗電約15KW×0.75=11度，電費(fèi)按照0.5元/度，每年運(yùn)行7000h，空調(diào)年耗電費(fèi)用約38500元。

（3）維護(hù)成本高：空調(diào)外機(jī)對(duì)環(huán)境有一定要求，環(huán)境惡劣外機(jī)一般5年左右就會(huì)出問題；空調(diào)每3年-5年需要加一次冷卻劑，冷卻劑對(duì)環(huán)境有一定影響且屬于化學(xué)能量轉(zhuǎn)化方式冷卻。

5.3 空水冷冷卻的缺點(diǎn)：（適合于有循環(huán)水系統(tǒng)的場(chǎng)所）

（1）初期投入成本高：室內(nèi)溫控在33℃左右，每500KW按照4%損耗選擇需要20KW的冷卻換熱裝置，投入在10000元左右。

（2）運(yùn)行成本高：需要提供滿足要求的水溫、水壓、水質(zhì)，使用1年后需要加化學(xué)溶劑除垢，散熱效果很大程度上取決水溫，夏季循環(huán)水水溫較高時(shí)，冷卻效果下降。

（3）濕度大：由于是相對(duì)室內(nèi)溫度較低的水會(huì)導(dǎo)致管壁冷凝水，導(dǎo)致室內(nèi)濕度增加，需要加裝空調(diào)或工業(yè)除濕器來解決濕度問題。

六、開發(fā)更合適的綠色節(jié)能散熱冷卻裝置

6.1 無塵新風(fēng)系統(tǒng)特點(diǎn)

無塵新風(fēng)系統(tǒng)特點(diǎn)：

現(xiàn)場(chǎng)附圖如下：

新風(fēng)系統(tǒng)外部結(jié)構(gòu)圖（7）

6.2 無塵新風(fēng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

高壓變頻器運(yùn)行環(huán)境溫度通常要求在-10～40 ℃，環(huán)境粉塵含量低于 950ppm，過高的溫度會(huì)造成變頻器因過熱保護(hù)而跳閘，同時(shí)如果運(yùn)行環(huán)境粉塵含量過高，將直接造成變頻器通風(fēng)濾網(wǎng)清洗、更換等維護(hù)頻次增加，維護(hù)費(fèi)用也將大大增加。因此，采用合適的冷卻方式和系統(tǒng)方案至關(guān)重要，將直接影響系統(tǒng)的可靠運(yùn)行、變頻器的使用壽命及運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

新風(fēng)系統(tǒng)原理示意圖（8）

6.3 優(yōu)缺點(diǎn)

無塵新風(fēng)系統(tǒng)采用高密度滌綸作為濾芯，通過特色的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在保證變頻器室進(jìn)風(fēng)量的條件下，能夠有效濾除PM2.5粉塵，達(dá)到凈化空氣目的。

與傳統(tǒng)散熱方案對(duì)比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

存在缺點(diǎn)：

七、散熱冷卻方案性能對(duì)比7.1散熱冷卻方式能耗對(duì)比表

八、無塵新風(fēng)系統(tǒng)使用前后效果對(duì)比

無塵新風(fēng)系統(tǒng)使用前后對(duì)比如下:

備注：

1、無塵新風(fēng)系統(tǒng)對(duì)室外空氣溫度要求在40℃以下區(qū)域；

2、高壓變頻器室內(nèi)采用熱風(fēng)外排風(fēng)道；

3、變頻器室外有安裝空間。

九、結(jié)束語

本文綜合國內(nèi)高壓變頻器應(yīng)用散熱冷卻系統(tǒng)解決方案，從用戶實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)出發(fā)，咨詢冷卻系統(tǒng)專家意見，總結(jié)出這幾種散熱冷卻方案，為熱設(shè)計(jì)技術(shù)人員選擇經(jīng)濟(jì)合理的散熱方式提供參考依據(jù)。

編輯單位：上海索緯斯節(jié)能技術(shù)有限公司，安徽皖維高新材料股份有限公司

作者：張樹林，魏慶慶，李波