1引言

近年來，電力電子和自動控制技術(shù)的發(fā)展也推動了煤礦上生產(chǎn)設(shè)備的更新?lián)Q代，為了適應(yīng)煤礦節(jié)能和安全生產(chǎn)要求，煤礦用隔爆型變頻器的使用也越來越多，其場合主要用于礦井下膠帶運輸機、提升絞車、風機、水泵、刮板運輸機等負載類型，要求具有極高的可靠性。影響變頻器的可靠性指標有多項，其通風與散熱就是一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。

變頻器正常工作時，產(chǎn)生高熱量的元器件有隔離變壓器、電子功率元件、電抗器和濾波器。普通型變頻器的結(jié)構(gòu)是與外界相通的，通過與空氣的自然交換，很容易解決其散熱問題，但隔爆型變頻器長期處于封閉的腔體內(nèi)，熱量在一個固定的小空間內(nèi)循環(huán)，通過隔爆外殼與外界熱交換，熱量不能及時散出，所以其故障率隨腔體的溫度上升而增加，使用壽命隨溫度升高呈指數(shù)的下降。最直接的解決方法是增大隔爆腔的體積，但隨之也帶來了生產(chǎn)成本的增加和使用場合的限制，這與降低成本、少用材料、多出力的優(yōu)化設(shè)計相矛盾。特別是生產(chǎn)產(chǎn)量的提高，對于大容量的變頻器的需求也隨之增多，變頻器的散熱問題也變得尤為突出了。這就要求我們根據(jù)實際情況合理的選擇隔爆型變頻器的散熱方式。

2變頻器的通用散熱方式

變頻器的冷卻和散熱系統(tǒng)的設(shè)計包括散熱器結(jié)構(gòu)的設(shè)計和冷卻介質(zhì)的選擇兩方面的內(nèi)容。散熱器結(jié)構(gòu)的選擇應(yīng)考慮以下因素：輔助設(shè)備的能耗、體積和重量；裝置的復雜性和操作的難易程度，以及裝置的可靠性、可用性和可維護性。冷卻介質(zhì)的選擇應(yīng)考慮電絕緣性、化學穩(wěn)定性、對材料的腐蝕性、對環(huán)境的影響和易燃性以及介質(zhì)的成本等。

變頻器的散熱方式，根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同，可分為空氣冷卻和液體冷卻。

2.1空氣冷卻

空氣冷卻方式細分為“自然冷卻”和“強迫風冷”兩種。

（1）自然冷卻方式散熱

主要用于功率比較小，元器件的散熱面積大以及不允許應(yīng)用風扇的變頻器上。冷卻主要通過空氣的自然對流以及輻射作用將熱量帶走。由于其機構(gòu)簡單、無噪音、免維護、可靠性高等特點，使用范圍很廣，尤其適用于沖擊負載和斷續(xù)工作制負載，缺點在于無法用于大功率長期工作的變頻器上。

（2）強迫風冷方式散熱

主要用于沒有特殊要求以及功率等級稍大的場合。特點是散熱效率高，散熱系數(shù)是自然冷卻的2～4倍，缺點在于需另配備風機，因而噪聲大，容易吹入煤塵，可靠性相對低一點。

2.2液體冷卻

液體冷卻方式細分為“水冷散熱”和“油冷散熱”兩種。

（1）水冷散熱

水冷散熱器的散熱效率極高，可是大大提高功率元件的容量，但是，普通水的電氣絕緣性能極差，水中存在的雜質(zhì)離子會在高電壓下導致電腐蝕和漏電現(xiàn)象，并且由于井下水質(zhì)較硬，在水道中易形成水垢而妨礙散熱的效果，并有可能堵塞水道，一般用于低電壓等級變頻器。在高電壓變頻器中使用，必須考慮和解決運行過程中的可靠性和腐蝕性兩大問題。

（2）油冷散熱

油冷散熱器的散熱效率雖然沒有水冷方式高，但由于具有很高的電絕緣性和電磁屏蔽效果，曾在普通大功率變頻器中廣泛使用，但其成本和對環(huán)境的要求使得這些年漸漸的淡出，并且根據(jù)煤礦安全的規(guī)定，煤礦井下不允許使用充油電氣設(shè)備，油冷散熱方式無法用于煤礦井下。

3隔爆型變頻器散熱器的選擇

由于igbt和整流管是高密度發(fā)熱體，這就意味著散熱片必須有足夠的瞬時吸熱能力，盡可能迅速地吸收其熱量。所以散熱片所選材質(zhì)不僅與其體積重量直接掛鉤，而且會影響散熱性能，加工工藝以及生產(chǎn)成本是散熱片的重要設(shè)計環(huán)節(jié)。金屬之所以成為當今散熱片的唯一選擇，是因為相比其他固體材料，金屬具備熱傳導性較好，延展性強，高溫下相對穩(wěn)定等優(yōu)點。

對于金屬來說，熱傳導系數(shù)和比熱是選擇作為散熱材料的重要依據(jù)。

熱傳導系數(shù)代表了金屬對熱的傳導能力，單位為w/mk，數(shù)值越大，熱傳導性就越強，即熱傳導速度越快，從表1中可以看到，銅的傳導系數(shù)約為鋁的1.8倍，能迅速帶走熱量，而銀的導熱系數(shù)雖然高于銅，但其成本昂貴，生產(chǎn)不現(xiàn)實。

再從比熱上看，比熱是金屬的一個固有特性，即1kg該類金屬溫度升高1℃所吸收的熱量，銅與鋁的比熱如表2，鋁的比熱似乎遠遠高于銅，更能滿足儲熱片和吸熱底部的要求，不過，銅的密度是鋁的3.3倍，即在體積相同的情況下，銅散熱片的重量是鋁散熱片的3.3倍，所以相同體積的銅散熱片能比鋁散熱片多吸收40％的熱量，具備更大的儲熱能力。銅材質(zhì)散熱底板成為現(xiàn)在變頻器散熱器的主要材料。

根據(jù)發(fā)熱體的功率，為了能夠迅速散出散熱片底部所儲存的熱量，就必須將熱傳導至鰭片的每個部分，以增大熱變換面積，吸熱底部與鰭片間的導熱能力取決于結(jié)合方式和連接面積，對于空氣冷卻方式，可以在散熱板上多加鰭片增大散熱交換面積就可以。對于大容量、大功率的變頻器來說，就應(yīng)采用更好的散熱方式－熱管。熱管散熱器是采用水或其他熱流體為冷卻介質(zhì)，密封在具有毛細結(jié)構(gòu)的銅管內(nèi)的沸騰散熱管。功率器件產(chǎn)生的熱量通過散熱器傳導給流體，流體汽化后擴散至整個銅管，以散熱片散熱冷卻成液體后流到吸熱面。熱管的傳熱速度是銅的10倍，所以熱管散熱器具有傳熱能力強，均溫能力優(yōu)良，熱密度可變，無外加設(shè)備，工作可靠，結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，不用維護等優(yōu)點。根據(jù)變頻器發(fā)熱功率的大小合理選擇熱管的尺寸時，也要有些注意事項。熱管散熱器的鰭片主要為鋁片，在煤礦井下，鋁為限用材質(zhì)，為了防止碰撞摩擦火花引起的煤礦安全問題以及防止煤塊或其他物件雜壞散熱器，影響散熱效果，散熱器要具有防護裝置，防護罩的設(shè)計要充分考慮到散熱器的熱量與冷卻介質(zhì)的交換能力。同時可以安裝防爆風扇，強迫風冷散熱，增強散熱效果。

對于使用現(xiàn)場有可靠的清潔水的情況，可以使用水冷方式，由于水的比熱容較大，可以將散熱板上的熱量迅速吸收，通過循環(huán)或排出熱水，使之達到冷卻效果，所以水冷變頻器可以在防爆腔體較小的情況下，使用大功率變頻器，這就解決了煤礦下限于體積的要求，但同時要求使用現(xiàn)場能夠提供清潔的水源，對于采煤機和掘進機來說，要用到水霧化降塵處理，可以先將水冷卻變頻器部分后去除塵，充分利用資源，對于皮帶機專用變頻器來說，如附近有水源，也可使用水冷方式。

目前為止，通用水冷方式隔爆型變頻器，主要是將大功率元器件安放在光滑的鋁板或銅板上，鋁板或銅板再嵌入防爆外殼的內(nèi)腔上，通過外殼中布置的水道把熱量帶走，由于材料和加工工藝，熱量很難迅速傳出，對于中小型的變頻器來說，熱量不會產(chǎn)生迅速凝聚，但功率在200kw以上的變頻器就很容易出現(xiàn)散熱板溫度局部過高導致故障頻出。為此，可以將大功率元器件安放在鋁板或銅板上，將水直接引入鋁板或銅板中間的水道中，這種方式可以要求散熱板完全處于防爆腔體中，或半鑲嵌在隔爆外殼上，這兩種方式對于防爆方面的要求是不同的，可以根據(jù)實際生產(chǎn)和使用環(huán)境來設(shè)計。用到水冷方式散熱，一定要考慮到冷卻回路（水道）的壓力要求，設(shè)置合理的水道壓力和流量，對于變頻器的正常運行和防爆要求都是很重要的。同時設(shè)計初期就要考慮到水冷變頻器隔爆腔體里的冷凝現(xiàn)象，這種現(xiàn)象對于大量功率元件和電子線路板是致命的。在現(xiàn)場使用中出現(xiàn)很多次由于冷凝現(xiàn)象使得變頻器出現(xiàn)故障，停止工作的情況。所以為防止凝露的產(chǎn)生，水冷變頻器內(nèi)腔一般需用加熱元件，在變頻器停不使用時，維持變頻器的內(nèi)腔溫度。但使用加熱元件需仔細核實功率和維持溫度的關(guān)系，防止隔爆外殼局部溫度過高。

對于變頻器自身的發(fā)熱量，現(xiàn)在可以根據(jù)各個發(fā)熱元器件的損耗來計算，從而根據(jù)具體情況來考慮用何種散熱方式來解決這個問題。根據(jù)多年的試驗結(jié)果我們大體可以估算出隔爆型變頻器的損耗大體為其容量的3～6％，區(qū)別主要在于變頻器的運行方式和參數(shù)設(shè)定，尤其要考慮到在相同的腔體內(nèi)有直流電抗器或交流電抗器時的散熱問題，針對發(fā)熱量大的電抗器要專門考慮其散熱或選用低損耗發(fā)熱量小的超微晶材料的電抗器。

4結(jié)束語

良好的散熱是隔爆型變頻器在煤礦井下正常運行的重要前提條件，生產(chǎn)廠商可以根據(jù)具體使用情況合理的選擇散熱方式，從而保證礦用隔爆型變頻器的正常使用。