矿用隔爆型变频器散热方式的选择

矿用隔爆型变频器散热方式的选择 1 引言 　　近年来，电力电子和自动控制技术的发展也推动了煤矿上生产设备的更新换代，为了适应煤矿节能和安全生产要求，煤矿用隔爆型变频器的使用也越来越多，其场合主要用于矿井下胶带运输机、提升绞车、风机、水泵、刮板运输机等负载类型，要求具有极高的可靠性。影响变频器的可靠性指标有多项，其通风与散热就是一个至关重要的环节。 　　变频器正常工作时，产生高热量的元器件有隔离变压器、电子功率元件、电抗器和滤波器。普通型变频器的结构是与外界相通的，通过与空气的自然交换，很容易解决其散热问题，但隔爆型变频器长期处于封闭的腔体内，热量在一个固定的小空间内循环，通过隔爆外壳与外界热交换，热量不能及时散出，所以其故障率随腔体的温度上升而增加，使用寿命随温度升高呈指数的下降。最直接的解决方法是增大隔爆腔的体积，但随之也带来了生产成本的增加和使用场合的限制，这与降低成本、少用材料、多出力的优化设计相矛盾。特别是生产产量的提高，对于大容量的变频器的需求也随之增多，变频器的散热问题也变得尤为突出了。这就要求我们根据实际情况合理的选择隔爆型变频器的散热方式。 2 变频器的通用散热方式 　　变频器的冷却和散热系统的设计包括散热器结构的设计和冷却介质的选择两方面的内容。散热器结构的选择应考虑以下因素：辅助设备的能耗、体积和重量；装置的复杂性和操作的难易程度，以及装置的可靠性、可用性和可维护性。冷却介质的选择应考虑电绝缘性、化学稳定性、对材料的腐蚀性、对环境的影响和易燃性以及介质的成本等。 变频器的散热方式，根据冷却介质的不同，可分为空气冷却和液体冷却。 2.1 空气冷却 空气冷却方式细分为“自然冷却”和“强迫风冷”两种。 (1)自然冷却方式散热 主要用于功率比较小，元器件的散热面积大以及不允许应用风扇的变频器上。冷却主要通过空气的自然对流以及辐射作用将热量带走。由于其机构简单、无噪音、免维护、可靠性高等特点，使用范围很广，尤其适用于冲击负载和断续工作制负载，缺点在于无法用于大功率长期工作的变频器上。 (2)强迫风冷方式散热 主要用于没有特殊要求以及功率等级稍大的场合。特点是散热效率高，散热系数是自然冷却的2～4倍，缺点在于需另配备风机，因而噪声大，容易吹入煤尘，可靠性相对低一点。 2.2 液体冷却 液体冷却方式细分为“水冷散热”和“油冷散热”两种。 (1)水冷散热 水冷散热器的散热效率极高，可是大大提高功率元件的容量，但是，普通水的电气绝缘性能极差，水中存在的杂质离子会在高电压下导致电腐蚀和漏电现象，并且由于井下水质较硬，在水道中易形成水垢而妨碍散热的效果，并有可能堵塞水道，一般用于低电压等级变频器。在高电压变频器中使用，必须考虑和解决运行过程中的可靠性和腐蚀性两大问题。 (2)油冷散热 油冷散热器的散热效率虽然没有水冷方式高，但由于具有很高的电绝缘性和电磁屏蔽效果，曾在普通大功率变频器中广泛使用，但其成本和对环境的要求使得这些年渐渐的淡出，并且根据煤矿安全的规定，煤矿井下不允许使用充油电气设备，油冷散热方式无法用于煤矿井下。 3 隔爆型变频器散热器的选择 　　由于igbt和整流管是高密度发热体，这就意味着散热片必须有足够的瞬时吸热能力，尽可能迅速地吸收其热量。所以散热片所选材质不仅与其体积重量直接挂钩，而且会影响散热性能，加工工艺以及生产成本是散热片的重要设计环节。金属之所以成为当今散热片的唯一选择，是因为相比其他固体材料，金属具备热传导性较好，延展性强，高温下相对稳定等优点。 　　对于金属来说，热传导系数和比热是选择作为散热材料的重要依据。 　　热传导系数代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 了金属对热的传导能力，单位为w/mk，数值越大，热传导性就越强，即热传导速度越快，从表1中可以看到，铜的传导系数约为铝的1.8倍，能迅速带走热量，而银的导热系数虽然高于铜，但其成本昂贵，生产不现实。 　　再从比热上看，比热是金属的一个固有特性，即1kg该类金属温度升高1℃所吸收的热量，铜与铝的比热如表2，铝的比热似乎远远高于铜，更能满足储热片和吸热底部的要求，不过，铜的密度是铝的3.3倍，即在体积相同的情况下，铜散热片的重量是铝散热片的3.3倍，所以相同体积的铜散热片能比铝散热片多吸收40％的热量，具备更大的储热能力。铜材质散热底板成为现在变频器散热器的主要材料。 表1 热传导系数表(w/mk) 表2 比热系数表(j/(kg·℃) 　　根据发热体的功率，为了能够迅速散出散热片底部所储存的热量，就必须将热传导至鳍片的每个部分，以增大热变换面积，吸热底部与鳍片间的导热能力取决于结合方式和连接面积，对于空气冷却方式，可以在散热板上多加鳍片增大散热交换面积就可以。对于大容量、大功率的变频器来说，就应采用更好的散热方式－热管。热管散热器是采用水或其他热流体为冷却介质，密封在具有毛细结构的铜管内的沸腾散热管。功率器件产生的热量通过散热器传导给流体，流体汽化后扩散至整个铜管，以散热片散热冷却成液体后流到吸热面。热管的传热速度是铜的10倍，所以热管散热器具有传热能力强，均温能力优良，热密度可变，无外加设备，工作可靠，结构简单，重量轻，不用维护等优点。根据变频器发热功率的大小合理选择热管的尺寸时，也要有些注意事项。热管散热器的鳍片主要为铝片，在煤矿井下，铝为限用材质，为了防止碰撞摩擦火花引起的煤矿安全问题以及防止煤块或其他物件杂坏散热器，影响散热效果，散热器要具有防护装置，防护罩的设计要充分考虑到散热器的热量与冷却介质的交换能力。同时可以安装防爆风扇，强迫风冷散热，增强散热效果。 　　对于使用现场有可靠的清洁水的情况，可以使用水冷方式，由于水的比热容较大，可以将散热板上的热量迅速吸收，通过循环或排出热水，使之达到冷却效果，所以水冷变频器可以在防爆腔体较小的情况下，使用大功率变频器，这就解决了煤矿下限于体积的要求，但同时要求使用现场能够提供清洁的水源，对于采煤机和掘进机来说，要用到水雾化降尘处理，可以先将水冷却变频器部分后去除尘，充分利用资源，对于皮带机专用变频器来说，如附近有水源，也可使用水冷方式。 　　目前为止，通用水冷方式隔爆型变频器，主要是将大功率元器件安放在光滑的铝板或铜板上，铝板或铜板再嵌入防爆外壳的内腔上，通过外壳中布置的水道把热量带走，由于材料和加工工艺，热量很难迅速传出，对于中小型的变频器来说，热量不会产生迅速凝聚，但功率在200kw以上的变频器就很容易出现散热板温度局部过高导致故障频出。为此，可以将大功率元器件安放在铝板或铜板上，将水直接引入铝板或铜板中间的水道中，这种方式可以要求散热板完全处于防爆腔体中，或半镶嵌在隔爆外壳上，这两种方式对于防爆方面的要求是不同的，可以根据实际生产和使用环境来设计。用到水冷方式散热，一定要考虑到冷却回路（水道）的压力要求，设置合理的水道压力和流量，对于变频器的正常运行和防爆要求都是很重要的。同时设计初期就要考虑到水冷变频器隔爆腔体里的冷凝现象，这种现象对于大量功率元件和电子线路板是致命的。在现场使用中出现很多次由于冷凝现象使得变频器出现故障，停止工作的情况。所以为防止凝露的产生，水冷变频器内腔一般需用加热元件，在变频器停不使用时，维持变频器的内腔温度。但使用加热元件需仔细核实功率和维持温度的关系，防止隔爆外壳局部温度过高。 　　对于变频器自身的发热量，现在可以根据各个发热元器件的损耗来计算，从而根据具体情况来考虑用何种散热方式来解决这个问题。根据多年的试验结果我们大体可以估算出隔爆型变频器的损耗大体为其容量的3～6％，区别主要在于变频器的运行方式和参数设定，尤其要考虑到在相同的腔体内有直流电抗器或交流电抗器时的散热问题，针对发热量大的电抗器要专门考虑其散热或选用低损耗发热量小的超微晶材料的电抗器。 4 结束语 　　良好的散热是隔爆型变频器在煤矿井下正常运行的重要前提条件，生产厂商可以根据具体使用情况合理的选择散热方式，从而保证矿用隔爆型变频器的正常使用。