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变频器的除湿防凝露研究
Research on the Dehumidification and Anti-condensation in the Inverter
作 者:南车株洲电力机车研究所有限公司风电事业部/ 曹国荣 / 赵燕峰

1 引言
变频器广泛地应用于各行各业,在各种各样的应用中,变频器难免不工作于潮湿环境中,例如工作于海边、湖泊或河流上的变频器装置,或是安装于潮湿山地和湖周边的风电机组变频器,或是安装于南方地区潮湿矿山的变频器等。
由于这些地区中空气的湿度较大,当环境温度发生变化时,变频器可能发生凝露,在变频器的电路板,功率器件的散热板等处产生液态水,而这些混合有灰尘的液态水,破坏了电气绝缘,甚至直接形成通路,使变频器发生故障;例如形成于功率器件散热板上的液态水,可造成igbt的漏极与栅极间形成短路,进而对栅极造成破坏,使igbt失效;形成于电路板上的液态水,可使某些端子短路,造成脉冲混乱,甚至造成桥间短路等故障。
可见,凝露对于变频器的正常稳定工作造成恶劣影响,当变频器工作于此类环境中时,应当设法消除凝露。

2 凝露的形成和对变频器的危害
空气可以看做是由绝干空气,水气,少量的尘埃组成。温度越高,空气中可以容纳的水汽越多。一定压力及温度下,单位空气包含水汽的质量,称为该条件下的绝对湿度;所能包含的最大水汽的质量,称为该条件下的饱和湿度;空气中所含水汽与该条件下饱和湿度的比值,称为该条件下的相对湿度;一定湿度的空气,使其发生凝露的最高温度,称为该条件下的露点温度。
空气温度越低,所能容纳的水汽越少,温度较高时空气容纳的水汽在温度降低后,空气容纳不下足够的水汽,使多余水汽变成液态水而析出。如果温度较高且湿度较大的空气遇到温度较低的表面,其表面温度低于该空气的露点温度,则凝露会发生,在温度较低的表面上产生液体水。
凝露而成的液态水,结合物体表面的尘埃,形成导电通道,破坏电气绝缘,使原先不导电的区域变成了导电区域。例如,发生在igbt功率器件表面的凝露,可结合其表面的尘埃,在漏极和栅极之间形成导电通道,使栅极遭受破坏,最终致使整个器件失效;发生于控制电路板上的凝露,可以在电路板上形成导电通道,造成逻辑信号的错乱,电子元器件失效,电源短路等故障;虽然有些电路板经过了涂覆处理,但是涂覆总会留下一些盲点,比如电路连接处,某些元器件的底部等。

3 消除凝露的方法
要消除凝露的发生,就要破坏凝露形成的条件:湿度和温差。只要破坏了凝露形成的两个条件中的任何一个,凝露都不会发生。
在此思路的指引下,形成了两种消除凝露的方法:湿度控制法和温度控制法,湿度控制法在于降低绝对湿度,而温度控制法在于降低相对湿度。
3.1 降低绝对湿度的方法
此方法的目的在于降低空气中的绝对湿度,减少空气中水汽的含量,从而使凝露不发生。通常有三种方案;分别是冷凝除湿法,吸附及膜式除湿法,温差除湿法。
(1)冷凝除湿法
在变频器柜体这样的相对封闭的空间中,哪里温度最低,当发生凝露时,凝露就率先在哪里发生。如果能在变频器柜内部始终制造一个温度最低点,让水汽在该处凝露,排出柜外,那么变频器柜内湿度就得到降低,能够保持干燥。
该措施需要特殊装置,如带压缩机制冷的空调系统,基于珀尔贴效应的半导体制冷器,如图1所示。

图1 珀尔贴半导体制冷除湿机


空调制冷是利用被压缩的制冷剂通过蒸发器发生膨胀时吸热的原理,在蒸发器上产生较低的温度点;而半导体制冷是通利用半导体的珀尔贴效应,当电流流过时,在一边产生热量,而另一边制冷。空调除湿系统,如见图2所示。容易出现压缩机故障及制冷剂泄露等问题,但是制冷除湿效率高;半导体制冷虽然故障较少,但是制冷除湿效率低,能耗高。
(2)吸附及膜式除湿法
使用吸附材料吸附空气中的水汽,使空气保持干燥;或是使用阻隔水汽的膜过滤器,对水汽进行过滤,而使干空气通过过滤器,而水汽过不去,以此来得到干燥空气。
对于吸附除湿,典型的如转轮除湿机。转轮除湿机通常由带动转轮转动的电机,吸附水汽的转轮,风扇,以及用于转轮再生的加热器组成。其工作原理如图3所示,湿空气在风扇的推动下,通过除湿转轮,湿气被转轮吸附,空气得到干燥;吸附水汽的转轮在高温空气的作用下,脱水,重新变得干燥。
由于转轮除湿机结构简单,效率及可靠性较高,因而较多使用,质量较好的转轮除湿机可以使用8~10年。

图2 空调制冷除湿机

图3 转轮除湿机工作原理

图4 高分子膜除湿原理


膜法除湿原理如图4所示。主要基于溶解—扩散机理,首先水蒸气与膜接触,接着被膜表面吸收,从而在膜两侧表面产生浓度梯度,使水分子在膜内向前扩散,达到膜的另一侧被析出,从而达到除湿的目的。膜法除湿需要空气压缩机的配合,气流量相对较少,但是空气的干燥程度可以很高,适合某些柜体密好,变频器工作条件严酷的特殊应用。
(3)冷却系统温差除湿法
一些变频器装置内,安装有用于凝露的散热器,该散热器也可以与冷却用散热器是同一个散热器,只是在该散热器上的凝露,对变频器系统没有不利影响,冷凝水通过出口排出变频器柜体,从而使变频器柜内保持相对干燥。

图5 冷却系统温差除湿法原理


通过图5来说明其工作原理:图5中自力恒温阀的作用是维持变频器的进水温度相对稳定,当环境温度较高时,ab开度较大,bc开度较小,更多的冷却液通过主风水热交换器而冷却,因此,变频器的进水温度会适当降低;当环境温度较低时,ab开度减小,bc开度加大,流过风水热交换器的冷却液减少,变频器进水温度适当增加;于是,维持了变频器进水的相对稳定。从该运行机理上可以看出,b管道上的冷却液温度一定不高于a管道上冷却液的温度,必要时,还可以开启加热器,来升高经由a管道而流向变频器的冷却液的温度,进一步加大两路冷却液的温度差;于是,在变频器柜体内的散热器和变频器的进水之间存在温度差,散热器的进水温度低一些,当发生凝露时,将在温度较低的散热器表面发生,而不会在变频器上发生。散热器可以安装于柜门上,或是柜体底部,冷凝水方便引出,但是要防止该冷凝水对变频器柜内其它部件造成危害。
3.2 降低相对湿度的防凝露方法
破坏凝露形成的另一个条件——温差,来达到阻止凝露形成的目的。对于变频器相对封闭的柜体空间,如果能使柜内温度始终处于露点温度之上,则凝露不会发生。该思路不能降低空气的绝对湿度,但能控制相对湿度,防止凝露。
通常有两种方案,一种方案包括加热器,通风口等。通常通风口装有过滤器,保证ip防护等级,同时也防止过多灰尘进入。该系统正常运行的核心在于湿度过大时加热,温度过高时通风。当湿度达到一定值时,启动加热,使空气温度升高,由于温度的升高,相对湿度随即下降;当温度高到某值时,启动通风,外部新风进入变频器柜内部,使柜体内外空气绝对湿度一致,同时保证柜体内温度不至于升到很高,产生不利影响。通常,启动加热器的相对湿度值为80%左右,启动通风系统的温度值为40℃左右。
另一种方案描述如下:变频器的冷却能力可控,保持变频器柜内的温度相对恒定,当湿度过大时,减少散热能力,利用变频器自身的损耗来使柜内温度升高,从而防止凝露的发生;当温度高时,加大散热,从而防止温度过高。采用该方案,变频器柜体可以做到完全密封,可以防止灰尘,有害气体及盐雾的进入,有利于变频器的长期运行。

4 变频器冷却型式是除湿方法选择的基础
变频器通常有风冷,水冷,水套冷(半水冷)三种冷却方式(说明:此处的水不光指水,还指用于冷却的其它液体)。附表是三种冷却型式的比较。
风冷型式由于简单,成本低廉而广泛使用,其不足在于灰尘的聚集,覆盖在发热表面上,影响散热,同时还可能形成导电带,破坏绝缘;而对于水冷的冷却方式,功率器件需要水冷散热器,也需要水冷电抗器等部件,成本较高,但是能阻隔外部灰尘进入,保持柜内的清洁,利于长期运行;对于水套冷/半水冷,通常功率器件采用水冷,而电抗器等部件,采用风水热交换器的方式进行冷却,也能够做到完全密封,阻隔外部尘埃进入,利于长期运行。
如果水冷系统采用新风窗口配合加热器来除湿防凝露,必然要在柜体上开孔,安装新风窗口,于是就使柜体内外形成空气交换,外部尘埃可以进入柜内,水冷系统的一大优点就会急剧缩水。
对于风冷系统(如果不是有特别要求),采用降低绝对湿度的方法(如采用空调除湿,转轮除湿机除湿),虽然也能达到除湿防凝露的效果,但是相比采用传统的加热除湿,增加了成本;同时由于增加了部件,因而可靠性维护性等受到影响。
可见,冷却系统型式,是选择除湿防凝露方案的基础,除湿防凝露的实施,应当尽量保持冷却系统的优点,最好还能结合冷却系统的特点,使成本最少,可靠性最高,维护性最好。
因此,在达到除湿防凝露的前提下,应充分结合变频器自身冷却系统的特点,结合实际使用地区的环境特点,兼顾成本,可靠性,可维护性等因素,选择最适合自身特点的除湿防凝露方案。

附表 三种冷却型式的性能比较

5 结束语
湿气客观的存在,当变频器工作于湿度较大的环境中时,务必考虑其抵御潮湿的能力,以使变频器能够可靠稳定的工作,减少甚至避免由于潮湿而引发的各种电气问题。
无论选择何种方案,除湿防凝露都是围绕着湿度和温差来进行,只要破坏凝露形成的两个条件中的任何一个,即可消除凝露的发生,保护变频器系统免受其害。
当使用环境长期高湿时,还需要考虑变频器柜体内各部件的腐蚀老化速度,而不是仅仅防凝露,还应当采取相关措施,将湿度控制在合理范围,使腐蚀老化速度控制在可以接受的范围内,以利长期运行。

作者简介
曹国荣(1966-) 男 高级工程师, 就职于株洲电力机车研究所有限公司风电事业部,长期从事变流器的开发研究相关工作。

参考文献
[1] 岳新峰.12kv中置柜加热除湿方式探讨[j].高压电器,2002(3):57~58.
[2] 张海平.ss4改进型电力机车空气干燥器的重要作用及故障应急处理[j].应用技术,2006(17):116~117.
[3] 李冰.半导体制冷技术及其发展[j].山西科技,2009(4):95~101.
[4] 代彦军,腊栋.转轮式除湿空调研究与应用最新进展[j].制冷学报,2009(4):1~7.

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