冷媒技术在防爆变频器上的应用

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　　1、前言
　　
　　空冷防爆变频器（也称空冷防爆变频装置）是冷媒技术在防爆变频器上的应用，也就是把变频器（不拆装、不改型）整机安装在防爆箱体内，用防爆箱体内冷媒机的热交换原理做变频器的冷却。意在把变频器产生的热量置换到防爆箱体外，置换到防爆箱体外的热量在风冷或水冷的方式来降温。该项技术解决了变频器在防爆箱体内无法冷却的难题，使变频器在防爆箱体内无高温、无结露运行。保证了原机器EMC的合格，故障率低、检修方便。
　　
" Y% c/ g9 T8 ?5 _　　2、空冷防爆变频器（也称空冷防爆变频装置）的产生
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2 l1 |* w" w! _　　变频器在防爆箱体内密闭的条件下，主电路的功率元器件由整流模块、IGBT模块和控制板的电阻和电容组成。这些模块都会产生变频器功率的损耗，功率损耗约为变频器总容量的3-5%。如：一台110kw的变频器，运行时就会产生约3-5KW的散热量。
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　　非防爆环境下变频器自身产生的热空气和外界环境是相通的。在环境温度在40℃以下，通过与外界空气的自然对流换热，散热问题较容易解决。但在防爆箱体内，变频器是在一个固定的小空间内，其运行时所产生的发热量的确很难通过防爆箱体与外界产生热量交换，进而达到散热的目的。目前，市场上采用的大多是热管热导式或水冷传热交换原理，其效果都不理想，在外界环境温度高时，防爆外壳内的热量就不能传递到外壳外部，使变频器在高温环境下运行，这就影响了变频器的安全使用。
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; C, k& d7 _4 |) Y　　太原理工大学寇子明教授指导的硕士研究生吴怀亮发表过论文《隔爆水冷变频器热交换及温差控制机理研究》，文中指出：变频器如在防爆密封箱内运行，其运行温度达到额定温度（40℃）时，每升高10℃，变频器寿命就会减半。因此防爆变频器的散热问题至关重要。
　　
1 J. h( f' i, q. d$ @: j! t　　3、目前防爆变频器的散热形式
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4 O9 o# T6 [% h: i7 s* v' i: w$ ^　　目前防爆变频器有如下两种散热形式：1、热管散热型防爆变频器；2、水冷散热型防爆变频器。
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　　3.1热管散热型防爆变频器
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　　热管散热型防暴变频器是使用热管传导冷却散热技术。例如：当防爆箱体外环境温度为30℃时，由于热管散热存在热阻，内外温差约10℃-15℃，加上控制板上的电阻电容热量，无法传导又存在累积加温。经实践证明变频器在额定功率下运行时，机壳箱体内的变频器将长期处于70℃左右的温度下运行。然而热管传导散热型防爆变频器在环境温度40℃及左右的工况下是就很难使用的。
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　　3.2水冷散热型防爆变频器
　　
1 l( d9 R" C  ^* v- Y　　水冷型的防爆变频器固然比较理想，但是受制于水源，水质，结露，局部散热的影响会有一定的局限性。
　　
　　3.3下面介绍空冷防爆变频器（也称空冷防爆变频装置）的用途
　　
　　由无锡鼎皓防爆电气传动系统有限公司创新使用在防爆电器箱内装上冷媒冷却技术，把变频器整机按装在防爆箱体内，既解决了防爆箱内的变频器能够在额定温度下工作，又保证了整机不拆装的EMC的合理性。经3年来的工况运行，效果非常理想。
　　
　　空冷防爆变频器是专门针对隔爆型离散自动化集成的应用而设计的，主要解决变频器及电子仪器设备在防爆箱体内运行的散热问题。空冷型防爆变频器可以100%带走防爆箱体内电子元器件消耗电能时散发出的多余热量。为隔爆型控制柜内提供理想的温,湿度环境，解决了变频器在防爆箱内运行的稳定性和可靠性。产品主要用于：变频器，电容器组，电力电容补偿柜等在易燃易爆场合中的安全使用，既有防爆的效果又可安全运行。
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　　产品可以在环境温度-15℃—50℃使用。如有特殊要求，环境温度可达到-40℃至+60℃，防护等级可达到IP56，以及可以保证提供防爆箱体内的变频器仍在＜40℃环境温度下运行。
　　
　　4、空冷防爆变频器
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4 |( r3 e$ c" Q- e. t　　4.1空冷防爆变频器（也称空冷防爆变频装置）换热系统结构如图1所示
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　　①防爆箱体：符合中华人民共和国防爆标志GB3836的规定；
　　
5 C7 W! F8 s! Z$ b) E　　②高质量的箱体内内循环风机；
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  Q1 B1 f. n. b6 j/ M. c　　③变频器；
　　
　　④冷媒热交换压缩机；
　　
) d8 z3 z) I  i+ s　　⑤箱体内的热交换器；
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; A4 ]! i, v: @, B0 @　　⑥箱体外风冷散热器或水冷散热器；
　　
+ L- `. M" c3 i( _7 B0 y- D　　4.2空冷防爆变频器（也称空冷防爆变频装置）的原理
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5 P: V' ?' o; }: k6 T1 i9 w　　该设备是通过冷媒空冷技术将防爆机柜内变频器工作时产生的高温度传递到防爆机柜外部。由于防爆机柜是密闭的，变频器安装在该防爆机柜内运行时所产生的大量热量，就通过冷媒空冷技术向防爆箱体外转移。从而使变频器隔离了外界环境中的煤尘、瓦斯等爆炸性气体进入在适宜的环境中工作，防止事故发生。
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& o' |% M; j0 P5 L5 f　　防爆箱体内的冷媒，能跟随变频器产生的热量运行，来控制箱体内的温度、湿度。始终维持在理想状态中，无高温，无结露，使变频器在额定温度下运行，保证它的工作稳定性和原有机器的EMC性能。
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　　4.3空冷防爆变频器（也称空冷防爆变频装置）的选型
　　
. @# Q" v8 O; _! A. C5 I0 V8 U　　根据箱体内变频器在额定工况下运行时产生的热量，来具体选型制冷冷媒，确保变频器的稳定、可靠工作。
　　
　　散热机制冷量的计算：
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, k2 m' h/ {1 t$ _* a) S# t2 L( c' e　　公式说明如下：
　　
　　Qt=Qi+QrQt：
　　
# o( W, |: d  o% ?　　Qt：机柜所产生的总热量（单位：W）
　　
　　Qi：机柜内产生的总热量（单位：W）
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　　Qr：箱体机柜外传至机柜内的热量（单位：W）
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　　Qr=K*A*△T
　　
　　k：总的传热系数W/m²·℃
　　
　　K=5.4w/m².K钢材Q235B（具体根据所处环境选型）
　　
　　A=(ab+bh+ah)*2机柜的表面积（单位：m²）
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' G% m5 \1 z# ~8 ~  J9 Z　　△T=T1-T2(单位：℃)
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　　T1代表防爆箱体外的℃
　　
　　T2代表防爆箱体内的℃
　　
7 v0 p% v- B- J) C  s5 m9 @　　其恒温式隔爆箱符合GB3836-1和GB3836.2现行标准的规定,尺寸如下：2360×1320×820约11.6m².
　　
5 x  X. ~0 ]; e) w$ z7 p　　5、典型工程计算：空冷防爆变频器安装
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　　图1恒温式隔爆箱（发明专利号：Z；200610040092.1）专利技术违者必究安装变频器的图示