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防爆变频器的研制
本文简要的介绍了防爆变频器的应用场合，解决了在研制过程中的最大难题："散热"。关键词：防爆变频器 热管 电解电容 非电解电容 Abstract: This text synoptically introduced the application situation of the riot frequency converter solving the biggest hard nut to crack:〝scattering heat〞 in research to manufacture process. Key words: Riot frequency converter Heat pipe Electrolytic capacitance Un-electrolytic capacitance 1、引言： 随着电力电子技术、计算机技术和自动控制技术的发展，以变频调速为代表的近代交流调速技术有了飞速的发展。交流变频调速技术以其卓越的调速性能、显著的节电效果以及在国民经济各领域的广泛适用性，而被公认为是一种最有前途的交流调速方式，代表了电气传动发展的主流方向。变频调速技术为节能降耗、改善控制性能、提高产品的产量和质量提供了至关重要的手段。变频调速理论已形成较为完整的科学体系，成为一门相对独立的学科。有人认为，电力电子技术是否被广泛的应用，反映了一个国家的科技水平。据统计，1995年发达国家电能中有75%左右是经过电力电子技术变换或控制后才使用的。在我国，目前交流变频调速也正以其优异的性能而深受各行业的青睐，在电力、轧钢、造纸、化工、水泥、煤炭、纺织、铁路、食品、船舶、机床等传统工业的改造中和航天航空等高新技术的发展应用中无不看到变频调速技术的踪影，变频调速技术取得了显著的经济效益 。 2、防爆变频器的提出： 这些年来，随着低压交流变频调速技术的日趋成熟和完善，通用变频器得到了迅速广泛的应用。但是有的时候，由于工况的特殊性，通用变频器则显得捉襟见肘了，比如说：煤矿井下胶带运输机、提升绞车、风机、刮板运输机等需要调速的电机拖动设备，以及化学厂的部分设备，就是其中一例。防爆变频器就是为这些比较特殊的工况而研制的。对于防爆变频器，简单的来讲：就是一台通用变频器装在防爆壳里。但是要真的把通用变频器装在防爆壳里来制成的防爆变频器，那问题就多多了。 3、技术难点： 3.1、功率器件的散热散热是防爆变频器遇到最大的难题。在变频器内部：逆变模块是发热最多的器件，据专家诂计：它约占整个变频器所有散热量的一半；整流模块也是发热相当多的，它所发的热量约占整个变频器的45%；而剩下的5%则是电解电容、充电电阻、均压电阻以及印制板上的发热元件等所发生的热量。 热管是一种传热性极好的人工构件，它利用"相变"传热的原理与金属铜、铝等实体材料和天然传热方式完全不同。其有效导热性是铜、铝等有色金属的成百上千倍。常用的热管由三部分组成：主体为一根封闭的金属管，内部有少量工作介质和毛细结构，管内的空气及其他杂物必须排除在外。热管工作时利用了三种物理学原理；（1）在真空状态下，液体的沸点降低；（2）同种物质的汽化潜热比显热高得多；（3）多孔毛细结构对液体的抽吸力可使液体流动。与热源靠近的一段(蒸发段)内的液体吸热而蒸发，蒸汽携带汽化潜热经空腔流向另一段(冷凝段)，汽体经管壁与外界冷媒体换热放出潜热而完成了传热任务，冷凝成液体，经毛细结构的抽吸或重力回流到蒸发段进入下一个工作循环。 热管散热器就是利用热管技术对散热器进行改进而制作出来的新品。对于双面散热的分立电力电子器件，风冷的全铜或全铝散热器的热阻只能达到0.04 ℃/W。而这种热管散热器的热阻达到0.01 ℃/W。在自然对流冷却条件下，热管散热器比实体散热器的性能可提高10倍以上。热管散热器可以采用自冷的方式，无需风扇，没有噪音，免维修，安全可靠。 防爆变频器的散热就采用这种热管散热器，将功率器件安装在散热器的蒸发段，同时密封在防爆壳内，热量就通过蒸发段传到冷凝段而散发出去。 3.2 非电解电容滤波的提出： 如果仅仅解决了95%的功率器件的散热， 那么其余5%的热量将会给你添不少的麻烦。电解电容在变频器中是一种易损件。在通常的通用变频器说明书中，都提到了电解电容需要4～5年更换一次。但实际工作中，由于变频器的使用环境、使用条件以及变频器的设计等诸多问题，导致电解电容损坏的现象屡见不鲜，何况将其安装于防爆壳内呢？通常，电解电容的工作温度最高是85℃，再且，电解电容长期工作在高温下，寿命会大大减少。 我们再看看：电解电容等所组成的直流回路在变频器中所起到的作用：（1） 由于在脉宽调制过程中产生有无功功率和谐波功率。电解电容就是与整流器、逆变器交换这些无功功率和谐波功率的。（2） 与异步电动机交换无功功率。（3） 滤除由于器件高频开关动作造成的直流电压的纹波；（4） 当负载发生变化时，在整流器的惯性延时期间内，支撑中间回路的电压，将直流电压的波动维持在限定范围内，使其保持稳定。 由于中间回路与两端变流器（整流器和逆变器）之间存在着复杂的能量交换过程，人们常常通过系统仿真，按照以下准则来判断经验取值的正确性。这些准则包括：（1） 工作过程中，中间回路直流电压是稳定的，连续的，没有间断，峰-峰波动值不超过规定的允许值。（2） 中间回路的损耗应保持最小。（3） 所选择的电容器的参数不会影响整个系统的稳定性。（4） 应当成功的抑制逆变器和电机之间发生的暂态过程，保持系统稳定。如果有一种电容，也能起到上述与电解电容相差不大的作用，又不容易损坏，发热少，那就可以了。经过了无数次用非电解电容（无感电容）代替电解电容的实验，结论是可行的。这种方法已申报了国家专利。 4、 可行性分折： 由于防爆变频器的设计原理、工艺构造都严格按通用变频器的设计思路而得来，所以在技术上是成熟的。有不少的行家在制作初期对变频器的可靠运行和对电网的谐波污染提出了置疑。我们用谐波分析仪经过大量的实验，分析出输入、输出的谐波与同型号的通用变频器是一样的，符合要求。到目前为此，已有2台30KW防爆变频器正实验性的长期正常运行快达一年了。 5、 结语： 由于防爆变频器具有防尘、防潮、防爆等优点，它主要用于煤矿、石油天然气、石油化工和化学工业。此外，在纺织、冶金、城市煤气、交通、粮油加工、造纸、医药等部门也可以应用。防爆变频器通常用于驱动泵、风机、压缩机和其他传动机械。随着交流调速系统的飞速发展，它也将伴随着让越来越多的客户所知晓，必将推动交流调速系统更广泛的应用。 参考文献： [1] G P Peterson. An introduction to heat pipes. John Wiley & Sons Inc. USA 1994 作者简介：刘文兵：（1981- ）男 硬件开发工程师 台州富凌机电有限公司技术部经理 从事变频器的开发与制造