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变频柜防凝露方法分析

发布日期:2020-03-09   来源:《变频器世界》19-10期   作者:程新杨 张盛 林志刚   浏览次数:1196
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【摘   要】:本文简要分析了凝露对变频柜的影响,对目前常见变频柜防凝露方法的优缺点进行简要分析;提出温湿度双向控制法防凝露新措施,并对此方法中所需器件的选型安装方式,进行分析验证,使变频柜防凝露效果达到最佳。

  
   关键字:变频柜;温湿度双向控制;防凝露
  

1  引言

在快速发展的工业化领域中,变频器的发展与应用日益凸显。因应用广泛,所以不可避免的有很多变频器工作在高温高湿地区。若温湿度控制不当,变频器长期运行在此类恶劣环境中,就会导致变频柜内产生凝露。产生的凝露反过来影响变频柜内部元器件,使得相关电路及电气元器件绝缘性能遭受破坏,导致设备发生严重故障。传统的变频柜多数是采用加热的方式对凝露进行预防,此预防措施无法彻底根除凝露或高湿度空气对变频柜产生的影响,因此如何使防凝露的效果达到最佳就成为了电气行业的研究方向。

2  凝露的形成

凝露的形成主要受制于环境温湿度及露点温度的影响,不同温湿度条件下的水蒸气对应不同的露点温度。凝露是指空气中饱和的水蒸气,遇到温度相对较低的固态物体时(低于该条件下露点温度),使得空气无法继续容纳水蒸气,此时水蒸气就会通过液态水的形式析出,这就是凝露的形成过程。

3  凝露的危害

凝露主要影响变频柜内部整流二极管、IGBT、电路板等电气元器件,破坏其电气绝缘性能,导致IGBT的CE之间导通、驱动板损坏等。若在此种情况下运行变频器,极易造成变频器发生严重损坏。因IGBT的基极与发射极之间导通,变频器上电运行时,流过的IGBT的电流就会迅速增大;加之驱动板的损坏,IGBT无法及时关断,就会造成IGBT热击穿炸裂及连带危害。

4  防凝露的方法

若想避免凝露现象所带来的危害,就要对凝露形成的必要条件温差和湿度进行破坏,致使空气中的水蒸气无法达到露点温度,防止凝露的产生。一般防凝露的方法有温度控制法、湿度控制法和温湿度双向控制法等。

4.1  温度控制法

温度控制法主要利用加热器散发热量的方式来提升柜内温度,此方法的目的是使变频柜内部元器件表面温度大于当前环境下的露点温度,使得空气中的水蒸气无法在变频柜内析出凝露。采用此种方式破坏凝露形成的温差条件,来达到阻止凝露形成得目的。

优点:成本低、易操作。

缺点:不能将柜内的水蒸气排除柜外,柜内水蒸气对相关电气元器件依旧存有潜在危害。

4.2  湿度控制法

吸附及膜式除湿法:在变频柜内使用吸附材料来吸收水蒸气,确保柜内始终保持相对干燥的环境;或通过膜过滤器的设置,来起到阻隔水汽的目的,只让干空气通过过滤器,使变频器内部只流入相对干燥的空气。

优点:易操作,极大程度降低柜内水蒸气,避免了高湿度的水蒸气对相关电气元器件危害。

缺点:需人工维护,定期更换吸附材料,更换频率高,累计费用成本高。

冷凝除湿法:在变频柜内部设置温度最低点,使得凝露仅产生于该处,从而不会再使变频器内部其它位置形成凝露,有效降低变频器内部的相对湿度,使得变频器内部始终保持相对干燥的环境。

优点:大幅降低柜内水蒸气,避免了高湿度的水蒸气对相关电气元器件危害。

缺点:不能将水蒸气完全除去,极端天气状况下仍然会析出凝露。

    故想要保证变频柜长期可靠的运行,就要结合温度、湿度两种防凝露控制法的优缺点,来阻止凝露的产生。温湿度双向控制法,就结合了温度、湿度控制法各自优点,采用此种取长补短的方法,使防凝露的效果达到最佳。

4.3  温湿度双向控制法

采用温湿度双向控制法防凝露,就要掌握露点温度与温湿度之间关系,准确计算出不同温湿度条件下所对应的水蒸气析出温度(即露点温度)。

4.3.1  露点温度的计算

        其计算公式为:


结合以上计算公式(1)、(2)、(3)得出统计表如表1所示。


将以上数据整理后,近似得到关系曲线图如图
1所示。

 

1  露点温度、湿度和环境温度关系曲线图

从表1与图1曲线分析得出:

在一定的温度下,空气中的相对湿度越高,露点温度越接近环境温度;

无论空气中湿度如何,形成露点的温度始终低于环境温度。

所以想要防止凝露的产生就要破坏其形成的必要条件温度和湿度,故我们需要同时对温度和湿度进行控制。

4.3.2  温湿度双向控制法——温度控制

1)加热器选型计算——根据不同柜体的大小需选用不同发热量的加热器,关于柜体所需发热量的计算公式为:

P(W)=电气柜表面积A(㎡)*柜体材质换热系数K(W/㎡k)*温度差值ΔT(K)


 
 

根据上述公式可以计算出不同柜体大小所需的加热器功率,在确认好加热器所需功率大小之后,加热器的安装位置也尤为重要。目前很多用户都将加热器安装在变频柜的门板上或在柜内空余位置随处安放,导致安装位置不合理,加热器不能够发挥出最好的效能,柜内仍存在凝露析出的风险角落。

2)加热器安装位置分析

事实上加热器安装的柜体位置不同,防凝露的效果也不同。常规状况下凝露会在柜体温度最低处凝结,因此加热器安装要紧贴柜壁安装,加热器的温度要高于环境温度为宜。



首先我们采用热仿真实验验证加热器,分别安装在底部、中部和顶部时加热的效果。在设置好加热相同时间后,读取柜内的水蒸气的温度曲线,如图2所示(单位:K开尔  0=273.15K),其中红色部分为加热器安装位置。

 

 

 

 

 

 





                    (
a)加热器安装在底部                                 (b)加热器安装在中部


 

 

 

 

 

 

 



                                                (
c)加热器安装在顶部

                                2  在柜内不同位置安装加热器的温度显示(K)


3为变频器柜内水蒸气随加热器位置变化冷凝速率。


 

 

 

 

 

 

 

 

 


                                      图
3
  变频器柜内水蒸气冷凝速率曲线图2

在相同的单位时间内,凝露凝结速率最小的是将加热器安装顶部曲线,故在温湿度双向控制法中,将加热器安装在变频柜顶部效果是最好的;

在装加热器的同时,要考虑周围的线缆,避免近距离接触,从而加速周围线缆的老化、破坏线缆绝缘层,增加安全隐患。

单一采用温度控制,变频柜内部进行加热凝露。此措施虽然可以直接消除凝露带来的影响,但这种方法只是增加空气中水蒸气的不饱和程度,并没有将柜内的水汽排出,高湿度的空气仍然会对元器件产生潜在影响。在变频柜突遇极端天气情况下,温度急剧降低,凝露现象还会发生,依旧无法避免凝露产生的危害

在控制温度的基础上,再配合湿度控制,简而言之就是在变频柜安装加热器后,再加装除湿装置。除湿器虽不能将空气中的水汽完全除去,但可以降低空气中的水蒸气。采用此种取长补短的方式,可以对防凝露达到最佳的效果。

4.3.3  温湿度双向控制法——湿度控制

1)除湿器选型计算——不同柜体的大小需选用不同除湿量的除湿器,关于柜体所需除湿量计算公式为:

W = V*ρ*(X2-X1)/1000 * 1.2

W为所需除湿量(kg/h)     ρ空气密度(kg/m³)      V场所体积

X2除湿前空气含湿量         X1除湿前空气含湿量      1.2 安全损耗系数 

其中X空气含湿量在不同温湿度条件下,对应的温湿度含湿量不同。依据上述公式可计算出不同尺寸柜体的最佳除湿量。

2)除湿器加装位置分析

    当确认好柜体所需除湿量大小及加热器为顶部安装时,再进一步通过仿真验证。在柜内温度加热到大于露点温度后,柜内水蒸气密度分布图如图4所示。


 

 

 

 

 

 

                                           

        4  水蒸气分布图

由水蒸气分布图4可得出,当加热器开启时,单位体积内空气中水汽分布较集中的区域为中下部。故从除湿最大化角度考虑,除湿器安装应尽量安装在变频柜中下部为宜。

4.3.4  实测数据验证分析

在密闭变频器柜体内均匀选取25个点A1~E5,柜内温湿度检测点分布如图5所示。

 


 

 

 

                                     

                                       图5
  柜内各点温湿度检测图

实验仪器与步骤:150W加热器、热电偶、数据采集仪、温湿度检测仪、密闭变频柜等辅助器材。在环境温度为28℃、湿度75%的条件下,分别将加热器安装于变频柜上部、中部、底部,在加热相同时间后分别记录柜内各点的温湿度。

收集统计3种状态下,各点温湿度如表2所示(温度大于31℃用红色标记,湿度大于75%用蓝色标记)。



由表
1、表2、表3实测数据验证得知:

在加热相同时间内,柜内温升变化相对较高的为加热器顶部安装,故加热器采用顶部安装对整个柜内的加热效果最好。

采用加热器顶部安装的情况下,湿度大的区域位于柜内中下部,符合仿真分析结果,故除湿器安装在中下部除湿效果最好。

根据以上所述,我们可以选出温湿度双向控制方式中,最佳的温湿度控制器件大小及其最佳安装位置,使得防凝露效果达到最好。

5  结束语

    变频器在工业领域中有着非常广泛的应用,为了保证长期可靠的运行,我们需要对凝露做出科学合理的预防措施。常用的防凝露控制方法各有优缺点,目前采用温湿度双向控制法从根源上消除凝露及高湿度的空气所产生的影响,凝露防护效果最佳,但是存在成本较高、占据空间较大、使用故障隐患较多等缺点。为了满足变频器在高温高湿环境工况下更高的需求,工程师们在防凝露方法研究上还需要做出进一步努力。

 

 
 
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