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高压变频器散热冷却问题研究及综合解决方案探讨

近十年,高压变频器得到广泛应用,但随之而来的问题,因产品质量不可靠,产品使用环境恶劣,造成变频器故障常发,甚至造成变频器炸机或烧毁事故时常发生。......

  一、摘要

  近十年,高压变频器得到广泛应用,但随之而来的问题,因产品质量不可靠,产品使用环境恶劣,造成变频器故障常发,甚至造成变频器炸机或烧毁事故时常发生。通过对大量用户调研发现,早期变频器发生故障,主要与各厂家的产品质量有关,而在使用两到三年后发生故障,则主要与使用环境有关。在多粉尘的使用场合,往往因为粉尘原因,导致设备内部绝缘击穿,发生拉弧现象,造成停机事故,更严重的会造成设备损坏或引发火灾。针对国内变频器使用环境特点,开发出的新一代无尘新风系统,能够很好的解决因为环境问题而造成的停机事故,其具有投资少,防尘效果好,维护简单等优点,被广泛应用在冶金、水泥、电力等多粉尘场合。

  二、影响设备稳定运行的因素分析

  高压变频器的全生命周期的稳定运行因素如下:

  长期稳定运行=A核心关键技术×B元器件质量等级×C质量控制水平×D生产工艺管控水平×E包装运输质量水平×F吊装和安装调试水平×G运行管理水平×H运行使用环境×I日常维护水平×J备品备件状态。

  A核心关键技术:       0-100分;

  B元器件质量:        0-100分;

  C质量控制水平:      0-100分;

  D生产工艺管控水平:  0-100分;

  E包装运输质量水平:  0-100分;

  F吊装和安装调试水平:0-100分;

  G运行管理水平:      0-100分;

  H运行使用环境:      0-100分;

  I日常维护水平:      0-100分;

  J备品备件状态:      0-100分;

  以上高压变频器全生命周期内的每个环节都按照0-100分计算,只要其中的任何一个环节不满100分,都给高压变频器长期稳定运行留下隐患或导致设备故障停机。

  对于高压变频器全生命周期的各个环节中,A-E都是在变频器生产厂家完成的,每一个环节都是经过多项测试,同时我司拥有20余年的应用经验,在IGBT上有千百万个驱动经验,对于高压变频器而言,核心部件为单元的控制系统以及功率单元器件。各个高压变频器厂家最终出问题基本上是在功率单元驱动出的问题。从实际应用中才能更好的了解高压变频器驱动的稳定性,其实解决问题的关键还是大量的应用实践来验证变频器全生命周期的每一个环节,在应用中随着大量问题的出现从A-F这个环节在企业内部是可以管控的,而环境(G-J)对电气设备安全稳定运行影响较大,需要用户重视并改善使用。

  综上所述,考虑到解决问题的主次先后顺序分析,使用1年左右的高压变频器首先考虑温度对变频器核心器件的影响。

  三、环境对核心器件的影响

  高压变频器运行过程中,要产生3~4%的热量损耗。需要提供变频器运行温度控制的解决方案,保证变频器能够在允许的环境条件下运行。而长期的温差变化、湿度与粉尘的影响,直接导致电路板电阻、电容等电子器件特性变差,严重时导致故障。而电力电子管功率器件对温度的敏感性更高,由于温度原因直接引起器件不能正常工作。海拔高度、温度变化等因素,直接需要降额使用,究其本质也是温度问题。因此,需要对变频器的运行环境散热问题特别考虑并加以解决。

  据一份美国军方公布的电气环境对电子设备安全的评估报告中显示:在电力电子设备故障原因的调查分析中,85%是由于设备运行环境因素所致,其中温度原因占65%、粉尘影响14%、湿度11%、振动和电磁噪声10%;由此可见,环境对电气设备安全的影响程度必须重视起来。


  变频器用电解电容器寿命与温度的关系(图1)

  电容寿命参考德国进口电容EPCOS,网址:

不同温度情况下IGBT参数的改变(图2)

IGBT模块加速循环载荷寿命试验曲线(图3)

环境因素及技术要求(附表)

  四、改善运行环境的措施

  1、风道开放式冷却。

风道散热示意图(4)

  优点如下:

  缺点:

  2、 空调冷却


空调冷却密闭示意图(5)

  优缺点如下表:

  3、空水冷冷却

3.1优缺点:

  3.2 冷水要求

  1)总水流量:200立方米/小时。

  2)水温:低于33摄氏度。

  3)水压:0.25-0.4Mp。

  4)水质:PH约等于7(无酸碱腐蚀性)无悬浮物。

  五、 常规性散热冷却系统主要问题

  目前高压变频器采用的散热冷却方案主要存在以下几点问题:

  5.1 风道散热缺点:

  (1)进风量小:房间负压大,通风困难,进风量小;

  (2)粉尘大:房间粉尘大,日常维护工作量大需要每台变频器滤网拆下来清理维护。

  (3)热风排到室外,冷却风量进来少,热风只出不进冷风,室内环境持续恶化,对变频器的正常运行带来巨大隐患,同时温度高也严重影响了变频器的寿命,温度对变频器的寿命影响是指数倍的下降。

  5.2 空调冷却的缺点

  (1)初期投入成本高:每500KW高压变频器有约15KW热损耗,需要5P空调冷却。

  (2)运行成本高:室内温度控制在30℃以内,每500W高压变频器每小时散热耗电约15KW×0.75=11度,电费按照0.5元/度,每年运行7000h,空调年耗电费用约38500元。

  (3)维护成本高:空调外机对环境有一定要求,环境恶劣外机一般5年左右就会出问题;空调每3年-5年需要加一次冷却剂,冷却剂对环境有一定影响且属于化学能量转化方式冷却。

  5.3 空水冷冷却的缺点:(适合于有循环水系统的场所)

  (1)初期投入成本高:室内温控在33℃左右,每500KW按照4%损耗选择需要20KW的冷却换热装置,投入在10000元左右。

  (2)运行成本高:需要提供满足要求的水温、水压、水质,使用1年后需要加化学溶剂除垢,散热效果很大程度上取决水温,夏季循环水水温较高时,冷却效果下降。

  (3)湿度大:由于是相对室内温度较低的水会导致管壁冷凝水,导致室内湿度增加,需要加装空调或工业除湿器来解决湿度问题。

  六、开发更合适的绿色节能散热冷却装置

  6.1 无尘新风系统特点

  无尘新风系统特点:

  现场附图如下:


  新风系统外部结构图(7)

  6.2 无尘新风系统简介

  高压变频器运行环境温度通常要求在-10~40 ℃,环境粉尘含量低于 950ppm,过高的温度会造成变频器因过热保护而跳闸,同时如果运行环境粉尘含量过高,将直接造成变频器通风滤网清洗、更换等维护频次增加,维护费用也将大大增加。因此,采用合适的冷却方式和系统方案至关重要,将直接影响系统的可靠运行、变频器的使用寿命及运行的经济性。


  新风系统原理示意图(8)

  6.3 优缺点

  无尘新风系统采用高密度涤纶作为滤芯,通过特色的结构设计,在保证变频器室进风量的条件下,能够有效滤除PM2.5粉尘,达到净化空气目的。

  与传统散热方案对比,具有以下优点:

  存在缺点:

  七、散热冷却方案性能对比

  7.1散热冷却方式能耗对比表

  八、无尘新风系统使用前后效果对比

  无尘新风系统使用前后对比如下:

  备注:

  1、无尘新风系统对室外空气温度要求在40℃以下区域;

  2、高压变频器室内采用热风外排风道;

  3、变频器室外有安装空间。

  九、结束语

  本文综合国内高压变频器应用散热冷却系统解决方案,从用户实际应用现场出发,咨询冷却系统专家意见,总结出这几种散热冷却方案,为热设计技术人员选择经济合理的散热方式提供参考依据。

  编辑单位:上海索纬斯节能技术有限公司,安徽皖维高新材料股份有限公司

  作者:张树林,魏庆庆,李波

(责任编辑:俞垚伊)

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