1. 變頻器工作的物理環境
由于變頻器集成度高,整體結構緊湊,自身散熱量較大,因此對安裝環境的溫度、濕度和粉塵含量要求高。在安裝變頻器時,必須為變頻器提供一個良好的運行環境。變頻器的環境溫度額定為40℃,如果環境溫度大于40℃~50℃時,必須降低額定電流值。否則將使器件的溫升過高,從而導致器件損壞(尤其是IGBT功率模塊)的可能性加大,對正常安全地運行有較大影響。變頻器的工作環境若達不到變頻器對工作環境的要求,將造成變頻器有較高的故障率,影響長期、可靠、安全運行,以致造成不必要的經濟損失,為此在變頻器應用中應注意以下事項。
①工作溫度。變頻器內部是大功率的電子元件,極易受到工作溫度的影響,產品一般要求為0~55℃,但為了保證工作安全、可靠,使用時應考慮留有余地,最好控制在40℃以下。變頻器若安裝在變頻器柜中,應安裝在柜體上部,并嚴格遵守產品說明書中的安裝要求,絕對不允許把發熱元件或易發熱的元件緊靠變頻器的底部安裝。
②環境溫度。溫度太高且溫度變化較大時,變頻器內部易出現結露現象,其絕緣性能就會大大降低,甚至可能引發短路事故。必要時,必須在變頻器柜中增加干燥劑和加熱器。變頻器的周圍濕度應為90%以下,周圍濕度過高,存在電氣絕緣降低和金屬部分的腐蝕問題。如果受安裝場所的限制,變頻器不得已安裝在濕度高的場所,變頻器的柜體應盡量采用密封結構。為防止變頻器停止時結露,應增設對流加熱器。
③腐蝕性氣體。使用環境如果腐蝕性氣體濃度大,不僅會腐蝕元器件的引線、印刷電路板等,而且還會加速塑料器件的老化,降低絕緣性能,在這種情況下,應把變頻器柜制成封閉式結構,并進行換氣。變頻器周圍不應有腐蝕性、爆炸性或燃燒性氣體以及粉塵和油霧。變頻器的安裝周圍如有爆炸性和燃燒性氣體,由于變頻器內有易產生火花的繼電器和接觸器,所以有時會引起火災或爆炸事故。如果變頻器周圍存在粉塵和油霧時,其在變頻器內附著、堆積將導致絕緣降低;對于強迫風冷的變頻器,由于過濾器堵塞將引起變頻器內溫度異常上升,致使變頻器不能穩定運行。

④震動和沖擊。變頻器柜受到機械震動和沖擊時,會引起電氣接觸不良。這時除了提高變頻器柜的機械強度、遠離震動源和沖擊源外,還應使用抗震橡皮墊固定變頻器柜和電磁開關之類產生震動的元器件。變頻器的耐振性應類型的不同而不同,震動超過變頻器的容許值時,將產生部件緊固部分松動以及繼電器和接觸器等誤動作,往往導致變頻器不能穩定運行。對于機床、船舶等能事先預見的震動場合,應充分考慮變頻器的震動問題。
⑤變頻器應用的海拔標高多規定在1000m以下,標高高則氣壓下將,容易產生絕緣破壞。另外標高高冷卻效果也下降,必須注意變頻器溫升。
2. 變頻器工作的電氣環境
變頻器工作的電氣環境包括:頻率變化、電壓變化、電壓不平衡、電源阻抗、電源諧波及一些異常條件等,如頻率為fLN±2%;額定輸入電壓的變化限值為±10%;電源電壓不平衡度不超過基波額定輸入電壓(ULN1)3%。
①防止電磁波干擾。變頻器在工作中由于整流和逆變,在其周圍產生很多干擾電磁波,這些高頻電磁波對附近的儀表、電子設備有一定的干擾。因此,變頻器柜內儀表和電子設備,應該選用金屬外殼,以屏蔽變頻器對儀表和其他電子設備的干擾。所有的元器件均應可靠接地,除此之外,各電氣元件、電子設備及儀表之間的連線應選用屏蔽電纜,且屏蔽層應可靠接地。
②防止變頻器輸入端過電壓。變頻器電源輸入端往往有過電壓保護,但是,如果輸入端高電壓作用時間長,會使變頻器輸入端損壞。因此,在實際應用中,要核實變頻器的輸入電壓、相數和變頻器應使用的額定電壓。為變頻器提供獨立的供電回路,并盡量避免與有沖擊性質負載共用一臺變壓器供電。
3. 變頻器的通風散熱
變頻器的效率一般97~98%,這就是說大約有2~3%的電能轉變為熱能,遠遠大于一般開關、交流接觸器等電器產生的熱量。一般的配電箱柜是針對常用開關、交流接觸器等電器而設計的。當這一類箱柜體用于變頻器時,需仔對內部器件進行布局,以確保通風散熱合理性。
變頻器的故障率隨溫度升高而成指數上升,使用壽命隨溫度升高而成指數下降。環境溫度升高10度,變頻器平均使用壽命減半。在變頻器工作時,流過變頻器的電流是很大的,變頻器產生的熱量也是非常大的,不能忽視其發熱所產生的影響,要了解一臺變頻器的發熱量大概是多少,可以用以下公式估算:
發熱量的近似值=變頻器容量(kW)×55[W]
在這里,如果變頻器容量是以恒轉矩負載為準的(過流能力150%×60s),變頻器帶有直流電抗器或交流電抗器,并且為柜內安裝,這時發熱量會更大一些。電抗器安裝在變頻器側面或側上方比較好。這時可以用下式估算變頻器產生的熱量:
發熱量的近似值=變頻器容量(kW)×60[W]
如果柜內有制動電阻,因為制動電阻的散熱量很大,制動電阻的安裝位置應與變頻器隔離開,如裝在柜內的上面或旁邊等。
圖1-1是一些電控柜內安裝變頻器時的風路示意圖,圖1-1(a)為壁掛式電控柜頂部裝抽風機抽出熱風;圖1-1(b) 為控制臺式電控柜上部裝抽風機抽出熱風;圖1-1(c)為大型立式電控柜頂部裝大抽風機,地溝和柜體下部要有良好進風口;圖1-1(d) 為大型立式電控柜裝有控制單元和制動電阻的情況,頂部裝大抽風機,地溝和柜體下部要有良好進風口。變頻器在電控柜內布置時,電控柜風路的設計原則是:
①電控柜要有強迫通風回路,通風回路的空氣流向應通暢,符合流體平滑轉向原則,安裝在電控柜上的風機應比變頻器本身風機總通風量大30~50%以上。
②電控柜的風路一般要有低風阻的進風口,在環境臟的場合進風口要有過濾網,過濾網的風阻要小,并防止堵塞,要求經常打掃。
③電控柜內空氣不應直通短路,也不應該發生熱風回流,要在電控柜內安裝必要的導風板和擋風板。擋風板的作用是擋住直通風和避免熱風回流以改善柜內空氣流向,提高冷卻效果。
④在沒有專門設計強迫通風風道的柜內,單臺變頻器安裝要與周圍電器、箱壁保持一定距離,特別是要留出上下空間使風道順暢,使風可自由流動。根據功率大小不同,至少留有120~300mm空間,左右前方空間至少50mm。
⑤當變頻器的環境溫度超過40℃時,對有通風蓋的變頻器要去掉通風蓋,讓風順利進入變頻器內。
當變頻器安裝在控制柜內時,要考慮變頻器發熱值問題。根據控制柜內產生熱量值的增加,要適當地增加控制柜的尺寸。因此,要使控制柜的尺寸盡量減小,就必須要使柜中產生的熱量值盡可能地減少。如果在變頻器安裝時,把變頻器的散熱器部分放到控制柜的外面,將會使變頻器有70%的發熱量釋放到控制柜的外面。由于大容量變頻器有很大的發熱量,所以對大容量變頻器更加有效。還可以用隔離板把本體和散熱器隔開,使散熱器的散熱不影響到變頻器本體。這樣效果會更好。
在變頻器散熱設計中,都是以垂直安裝為基礎的,橫著安裝散熱會變差的。變頻器都帶有冷卻風扇,但仍要在控制柜上出風口安裝冷卻風扇,進風口要加濾網以防止灰塵進入控制柜。
在海拔高于1000m的地方,因為空氣密度降低,因此應加大控制柜的冷卻風量以改善冷卻效果。理論上變頻器也應考慮降容,每1000m降低5%。但變頻器的負載能力和散熱能力一般比實際使用的要大,所以也要看具體應用。比方說在1500m的地方,但是周期性負載,如電梯,就不必要降容。變頻器的發熱主要來自于IGBT,IGBT的發熱有集中在開和關的瞬間。因此開關頻率高時自然變頻器的發熱量就變大。
4.變頻器的防雷
在變頻器內部一般都設有雷電吸收網絡,主要防止瞬間的雷電侵入,使變頻器損壞。但在實際工作中,特別是電源線架空引入的情況下,單靠變頻器內部的吸收網絡是不能滿足要求的。在雷電活躍地區,這一問題尤為重要,如果電源是架空進線,在進線處裝設變頻器專用避雷器(選件),或按規范要求在離變頻器20m的遠處電源點裝設電力避雷器。如果電源是電纜引入應穿鋼管防護,鋼管應可靠接地,并應做好控制室的防雷系統,以防雷電竄入破壞設備。
5.變頻器防塵措施
在多粉塵場所,特別是多金屬粉塵、絮狀物的場所使用變頻器時,應采取正確、合理的防護措施,總體要求變頻器柜整體應該密封,應該通過專門設計的進風口、出風口進行通風;變頻器柜頂部應該有防護網和防護頂蓋出風口;變頻器柜底部應該有底板和進風口、進線孔,并且安裝防塵網。變頻器的具體防塵設計應注意如下事項:
①變頻器柜的風道要設計合理,排風通暢,避免在柜內形成渦流,在固定的位置形成灰塵堆積。
②變頻器柜頂部出風口上面要安裝防護頂蓋,防止雜物直接落入;防護頂蓋高度要合理,不影響排風。防護頂蓋的側面出風口要安裝防護網,防止絮狀雜物直接落入。
③如果采用變頻器柜頂部側面排風方式,出風口必須安裝防護網。
④要確保變頻器柜頂部的軸流風機旋轉方向正確(向外抽風),如果風機安裝在變頻器柜頂部的外部,必須確保防護頂蓋與風機之間有足夠的高度;如果風機安裝在變頻器柜頂部的內部,安裝所需螺釘必須采用止逆彈件,防止風機脫落造成柜內元件和設備的損壞。在風機和柜體之間加裝塑料或者橡膠減振墊圈,可以大大減小風機震動造成的噪音。
⑤變頻器柜的前、后門和其他接縫處,要采用密封墊片或者密封膠進行一定的密封處理,防止粉塵進入。
⑥變頻器柜底部、側板的所有進風口、進線孔,一定要安裝防塵網。阻隔絮狀雜物進入。防塵網應該設計為可拆卸式,以方便清理、維護。防塵網的網格要小,能夠有效阻擋細小絮狀物(與一般家用防蚊蠅紗窗的網格相仿);或者根據具體情況確定合適的網格尺寸,防塵網四周與變頻器柜的結合處要處理嚴密。
6.變頻器防潮濕霉變措施
多數變頻器內部的印制板、金屬結構件均未進行防潮濕霉變的特殊處理,如果變頻器長期處于潮濕和和含有腐蝕性氣體的工作環境,變頻器的金屬結構件容易產生銹蝕,對于導電銅排在高溫運行情況下,更加劇了銹蝕的過程。對于控制板和驅動電源板上的細小銅質導線,由于銹蝕將造成損壞,因此,對于應用于潮濕和含有腐蝕性氣體的場合,必須對變頻器的內部設計有基本要求,例如印刷電路板必須采用三防漆噴涂處理,對于結構件必須采用鍍鎳鉻等處理工藝。除此之外,還需要采取其它積極、有效、合理的防潮濕、防腐蝕氣體的措施。
變頻器柜可以安裝在單獨的、密閉的采用空調的機房,此方法適用控制設備較多場合,安裝在機房的變頻器柜可以采用如上防塵或者一般環境設計即可。
采用獨立進風口的變頻器柜,其單獨的進風口可以設在變頻器柜的底部,并通過獨立密閉地風管與室外干凈環境連通,此方法需要在進風口處安裝防塵網。對于密閉變頻器柜內可以加裝吸濕的干燥劑或者吸附毒性氣體的活性材料,并定期更換。
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