高壓變頻器散熱冷卻問題研究及綜合解決方案探討

張樹林，魏慶慶，李波 · 2017-12-29 13:40  留言

一、摘要

近十年，高壓變頻器得到廣泛應用，但隨之而來的問題，因產(chǎn)品質量不可靠，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或燒毀事故時常發(fā)生。通過對大量用戶調研發(fā)現(xiàn)，早期變頻器發(fā)生故障，主要與各廠家的產(chǎn)品質量有關，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。在多粉塵的使用場合，往往因為粉塵原因，導致設備內(nèi)部絕緣擊穿，發(fā)生拉弧現(xiàn)象，造成停機事故，更嚴重的會造成設備損壞或引發(fā)火災。針對國內(nèi)變頻器使用環(huán)境特點，開發(fā)出的新一代無塵新風系統(tǒng)，能夠很好的解決因為環(huán)境問題而造成的停機事故，其具有投資少，防塵效果好，維護簡單等優(yōu)點，被廣泛應用在冶金、水泥、電力等多粉塵場合。

二、影響設備穩(wěn)定運行的因素分析

高壓變頻器的全生命周期的穩(wěn)定運行因素如下：

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

A核心關鍵技術： 0-100分；

B元器件質量： 0-100分；

C質量控制水平： 0-100分；

D生產(chǎn)工藝管控水平： 0-100分；

E包裝運輸質量水平： 0-100分；

F吊裝和安裝調試水平：0-100分；

G運行管理水平： 0-100分；

H運行使用環(huán)境： 0-100分；

I日常維護水平： 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)的每個環(huán)節(jié)都按照0-100分計算，只要其中的任何一個環(huán)節(jié)不滿100分，都給高壓變頻器長期穩(wěn)定運行留下隱患或導致設備故障停機。

對于高壓變頻器全生命周期的各個環(huán)節(jié)中，A-E都是在變頻器生產(chǎn)廠家完成的，每一個環(huán)節(jié)都是經(jīng)過多項測試，同時我司擁有20余年的應用經(jīng)驗，在IGBT上有千百萬個驅動經(jīng)驗，對于高壓變頻器而言，核心部件為單元的控制系統(tǒng)以及功率單元器件。各個高壓變頻器廠家最終出問題基本上是在功率單元驅動出的問題。從實際應用中才能更好的了解高壓變頻器驅動的穩(wěn)定性，其實解決問題的關鍵還是大量的應用實踐來驗證變頻器全生命周期的每一個環(huán)節(jié)，在應用中隨著大量問題的出現(xiàn)從A-F這個環(huán)節(jié)在企業(yè)內(nèi)部是可以管控的，而環(huán)境（G-J）對電氣設備安全穩(wěn)定運行影響較大，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變頻器核心器件的影響。

三、環(huán)境對核心器件的影響

高壓變頻器運行過程中，要產(chǎn)生3～4％的熱量損耗。需要提供變頻器運行溫度控制的解決方案，保證變頻器能夠在允許的環(huán)境條件下運行。而長期的溫差變化、濕度與粉塵的影響，直接導致電路板電阻、電容等電子器件特性變差，嚴重時導致故障。而電力電子管功率器件對溫度的敏感性更高，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，究其本質也是溫度問題。因此，需要對變頻器的運行環(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)境對電子設備安全的評估報告中顯示：在電力電子設備故障原因的調查分析中，85％是由于設備運行環(huán)境因素所致，其中溫度原因占65％、粉塵影響14％、濕度11％、振動和電磁噪聲10％；由此可見，環(huán)境對電氣設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系（圖1）

電容壽命參考德國進口電容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)載荷壽命試驗曲線（圖3）

環(huán)境因素及技術要求（附表）

四、改善運行環(huán)境的措施

1、風道開放式冷卻。

風道散熱示意圖（4）

優(yōu)點如下：

缺點：

2、空調冷卻

空調冷卻密閉示意圖（5）

優(yōu)缺點如下表：

3、空水冷冷卻

3.1優(yōu)缺點：

3.2 冷水要求

1）總水流量：200立方米/小時。

2）水溫：低于33攝氏度。

3）水壓：0.25-0.4Mp。

4）水質：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問題：

5.1 風道散熱缺點：

（1）進風量?。悍块g負壓大，通風困難，進風量??；

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

（3）熱風排到室外，冷卻風量進來少，熱風只出不進冷風，室內(nèi)環(huán)境持續(xù)惡化，對變頻器的正常運行帶來巨大隱患，同時溫度高也嚴重影響了變頻器的壽命，溫度對變頻器的壽命影響是指數(shù)倍的下降。

5.2 空調冷卻的缺點

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

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

（3）維護成本高：空調外機對環(huán)境有一定要求，環(huán)境惡劣外機一般5年左右就會出問題；空調每3年-5年需要加一次冷卻劑，冷卻劑對環(huán)境有一定影響且屬于化學能量轉化方式冷卻。

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

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

（3）濕度大：由于是相對室內(nèi)溫度較低的水會導致管壁冷凝水，導致室內(nèi)濕度增加，需要加裝空調或工業(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 無塵新風系統(tǒng)特點

無塵新風系統(tǒng)特點：

現(xiàn)場附圖如下：

新風系統(tǒng)外部結構圖（7）

6.2 無塵新風系統(tǒng)簡介

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