西朗污水处理厂位于广州市荔湾区, 采用的污水处理工艺为A2O, 设计日处理能力为20万t/天。目前, 西朗污水厂4台进水泵驱动系统采用的是ABB ACS600系列变频器作为调速传动单元, 具体型号与其应用设备如表1。
在进行降温改造前, 进水泵变频器的应用情况并不理想, 有3台变频器发生IGBT与整流桥模块爆裂损坏, 变频器的运行温度普遍偏高。
1 变频器温度对其性能影响的情况分析
在夏天, 进水泵变频器IGBT最高温度可达到108℃以上, 冬天情况稍好, IGBT温度基本都可控制在80℃以下。变频器运行IGBT温度较高将直接影响变频器内部温度, 也影响到触发电路板是使用寿命, 而触发电路板发生故障将直接导致IGBT通断时发生短路的一个主要原因。
IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道, 给PNP晶体管提供基极电流, 使IGBT导通。反之, 加反向门极电压消除沟道, 流过反向基极电流, 使IGBT关断[1]。
如图所示, 当IGBT门极驱动电路部分电子元件老化, 电路板出现故障时, 将会导致触发IGBT导通关断出现异常, 如图中所示, 正常V1导通, V4关断, 但触发电路发生故障后, 会导致V1导通, V4导通, IGBT直接对直流母线的负极短路, IGBT对地短路也就再所难免。
另外, 一般工业级IGBT的工作温度是75℃以下正常工作, 变频器温度达85℃时, 模块额定功率将减少1/3至1/2, 如果继续在高温状态下使用就必须降低负载的运行功率, 否则将使IGBT使用寿命缩短[2]。当环境温度高于40°C后, 每升高1°C, 变频器就必须进行降容使用, 否则将影响到变频器运行, 缩短变频器的寿命。
2 降温改造前散热系统分析
2.1 变频器的热损耗
大功率变频器工作时, 变频器产生的热损耗较大, 不能忽视其发热所产生的影响, 我们要了解一台变频器的发热量大概是多少。可以用以下原则估算, 当变频器满负荷工作时, 其总损耗 (转变为热量) 约为系统额定功率的3%。
那么根据上述估算原则以及ABB变频器硬件手册提供的冷却风量进行计算, 可得出表2。
在考虑变频器运行中的散热问题的时候, 我们将以表2估算的热损耗值作为排风量或制冷量的计算时的基准。
2.2 原有通风散热系统的分析
变频器控制室原有的通风设计是在机柜上面安装风道, 将变频器产生的热量直接排放到室外, 由变频器室变频器机柜的进风口不断补充冷风, 对系统进行冷却, 进水泵变频器机柜进风口的总面积0.183m3, 低位进风口面积为0.061m3, 侧面进风口面积为0.122m 3, 但由于与机顶出风口未做隔离, 出现较大的短流现象, 总出风口抽风机为2.2 k W, 排风量为15000m2/h, 共两台抽风机, 假设4台变频器机柜的抽风工况相同, 平均每台排风量为7500m2/h。
(1) 单台变频器通风量的计算。
式中:为变频器柜内热损耗, 取值7500W;Δt为空气出口与进口温差 (℃) , 一般是10℃~15℃;
(2) 从上述计算初步可以判断, 排风量是足够的, 但是, 进水泵变频器运行中IGBT最高温度可达到108度, 那么, 造成这种情况的原因是什么呢?
第一、广州夏天天气炎热, 进水泵变频柜内环境的最高温度可达到40℃~45℃, 也就是说, 变频器环境温度过高。
第二、机柜进风不足, 短流现象严重。根据上述计算, 当△t=10时, Q风=2838m 3/h, 而平均每台变频器排风量高达7500m2/h, 实际上大部冷却风量未经利用就直接被抽走了。
3 采用空调制冷进行降温改造
变频器机柜进行降温改造, 第一、需严格按造ABB提供的安装要求进行改进;第二、在室内加装座式空调机, 并保留原有的排风系统, 采取内外循环相结合的方式进行降温改造。
3.1 制冷量的计算
变频器发热根据运行工况选择, 考虑一定的裕量, 按水泵三用一备设计, 每台以95%的容量 (将室内其他电气元件发热量进行折算) 运行, 那么可计算出:
Q总变=3× (P变×0.03×95%) =21375W也就是说, Q制冷=21375W。
3.2 变频器降温改造措施
第一、对柜体进行改造, 增大底部进风口, 封闭侧面进风口, 防止柜内短流。
第二、保持原有的排风系统风管与风机, 直接将柜内热风抽出室外, 内外循环结合。
第三、控制室内增加座式空调器进行降温, 将控制室内温度降低到30℃以下。空调器选型可选2台5匹落地式空调, 制冷量为:Q5匹=2000大卡×5×1.162=11620 (W) 、Q总=2×Q5匹=11620×2=23240 (W) , 开启台数根据实际情况确定。
3.3 采用空调机制冷降温改造后的效果
进行降温改造后, 在夏天, 进水泵变频器内部检测的最高温度为78℃, 冬天基本都可控制在60℃以下;改造后经过1年多的观察, 变频器运行时降温效果明显, 未发生变频器IGBT损坏现象。
4 结语
通过对ABB变频器运行中温度的分析并实施有效的改造措施, 改善了机柜的通风条件, 消除了机柜内短流现象, 使冷空气得到充足的利用, 改善了大功率变频器的运行环境, 因温度过高而导致的故障大大减少, 延长了变频器的使用寿命, 降低了维修费用。
摘要：21世纪, 变频器作为调速及节能的装置已经在各行各业得到了广泛的应用, 而变频器作为精密的电气设备, 其运行效率跟寿命很大程度取决其运行中的环境温度, 本文以西朗污水处理厂进水泵ABB ACS600系列变频器在运行中温度对其影响进行分析, 提出降温改造方法, 并对改造后的效果进行评价。
关键词：ABB变频器,温度,IGBT模块,驱动电路板,空调机
参考文献
[1] 程志刚.新编电气工程师手册[M].安徽:安徽文化音像出版社, 2005.
[2] 韩安荣.通用变频器及其应用 (第二版) [M].北京:机械工业出版社, 2000.
[3] 孙一坚.简明通风设计手册.北京:中国建筑工业出版社, 1998.
[4] 《ACS600系列》用户手册.ABB电气传动系统有限公司.