曹權(quán)勇，孫崇君，蔡爽，賀東利

(沈陽防爆電器制造有限公司，遼寧 沈陽 110141)

1 引言

隨著電氣傳動領(lǐng)域發(fā)生重大的技術(shù)變革，交流調(diào)速技術(shù)獲得了飛速發(fā)展，變頻器由初期的變壓變頻(VVVF)調(diào)速方案，到目前的矢量、直接轉(zhuǎn)矩控制方案，使變頻控制不僅具有穩(wěn)態(tài)的控制特性，而且具有良好的動態(tài)性能，可以與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。因此我國煤礦井下絞車電控系統(tǒng)也正在由傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速改為變頻調(diào)速。

2 防爆變頻器國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀

由于煤礦井下具有爆炸性氣體的特殊環(huán)境，通用變頻器不允許直接下井使用，因此，目前通用的辦法是將通用變頻器外殼去掉，安裝防爆變頻器特殊散熱方式和結(jié)構(gòu)將變頻器內(nèi)部元件拆解后安裝在防爆外殼內(nèi)。該方式需要對變頻器進(jìn)行拆分后重新安裝，導(dǎo)致在拆解和安裝過程中極易損壞變頻器元件，影響變頻器性能，同時安裝時零散擺放也影響美觀。因此，設(shè)計一款整體式專用于安裝在防爆殼體內(nèi)的變頻器整體抽屜式機芯成為當(dāng)務(wù)之急。

3 整體抽屜式變頻器技術(shù)

3.1 散熱技術(shù)

散熱是防爆變頻器遇到最大的難題。在變頻器內(nèi)部:逆變模塊是發(fā)熱最多的器件，據(jù)專家詁計:它約占整個變頻器所有散熱量的一半;整流模塊也是發(fā)熱相當(dāng)多的，它所發(fā)的熱量約占整個變頻器的45%;而剩下的5%則是電解電容、充電電阻、均壓電阻以及印制板上的發(fā)熱元件等所發(fā)生的熱量。

圖1 采用水－銅熱管散熱器示意圖

熱管(如圖1)是一種傳熱性極好的人工構(gòu)件，它利用“相變”傳熱的原理與金屬銅、鋁等實體材料和天然傳熱方式完全不同。其有效導(dǎo)熱性是銅、鋁等有色金屬的成百上千倍。常用的熱管由三部分組成:主體為一根封閉的金屬管，內(nèi)部有少量工作介質(zhì)和毛細(xì)結(jié)構(gòu)，管內(nèi)的空氣及其他雜物必須排除在外。熱管工作時利用了三種物理學(xué)原理:(1)在真空狀態(tài)下，液體的沸點降低;(2)同種物質(zhì)的汽化潛熱比顯熱高得多;(3)多孔毛細(xì)結(jié)構(gòu)對液體的抽吸力可使液體流動。與熱源靠近的一段(蒸發(fā)段)內(nèi)的液體吸熱而蒸發(fā)，蒸汽攜帶汽化潛熱經(jīng)空腔流向另一段(冷凝段)，汽體經(jīng)管壁與外界冷媒體換熱放出潛熱而完成了傳熱任務(wù)，冷凝成液體，經(jīng)毛細(xì)結(jié)構(gòu)的抽吸或重力回流到蒸發(fā)段進(jìn)入下一個工作循環(huán)。

熱管散熱器就是利用熱管技術(shù)對散熱器進(jìn)行改進(jìn)而制作出來的新品。對于雙面散熱的分立電力電子器件，風(fēng)冷的全銅或全鋁散熱器的熱阻只能達(dá)到0.04℃/W。而這種熱管散熱器的熱阻達(dá)到0.01℃/W。在自然對流冷卻條件下，熱管散熱器比實體散熱器的性能可提高10倍以上。熱管散熱器可以采用自冷的方式，無需風(fēng)扇，沒有噪音，免維修，安全可靠。

防爆變頻器的散熱就采用這種熱管散熱器，將功率器件安裝在散熱器的蒸發(fā)段，同時密封在防爆殼內(nèi)，熱量就通過蒸發(fā)段傳到冷凝段而散發(fā)出去。

3.2 抽屜式變頻器機芯

采用基板外置熱管散熱器對發(fā)熱量較大的功率器件進(jìn)行散熱情況下，如果簡單的把通用變頻器外殼拆除，然后整體安裝在防爆殼體內(nèi)，功率器件無法固定在散熱片上，同時因變頻器尺寸干涉等問題也不適用這種方法。所以目前國內(nèi)很多防爆變頻器廠家均是將通用變頻器元件拆解后在防爆殼體內(nèi)重新布置安裝。但在二次分解安裝過程中，限于裝配條件的有限性，極易對變頻器性能造成不良影響。且較多的元件安裝在殼體內(nèi)部，在出現(xiàn)故障需要更換元件時，因防爆殼體空間狹小，操作很不方便。因此，我們需要研究一種變頻器安裝結(jié)構(gòu)，即將所有變頻器元件固定在一個框架結(jié)構(gòu)的可以入抽屜一樣從防爆殼體內(nèi)抽出、推入的整體變頻器結(jié)構(gòu)。所有變頻器元件在殼體外部安裝完畢，形成一個整體式變頻器機芯，然后將整體機型通過軌道推入防爆殼體，將機芯與熱管散熱器片固定在一起。在需要維修更換元件時，再將整體機芯拉出殼體。實現(xiàn)裝配，檢修快捷化操作。

3.3 安裝小車

安裝小車是該變頻器機芯的主體支撐結(jié)構(gòu)，是金屬焊接結(jié)構(gòu)，絕大數(shù)的變頻器元件都需要安裝在該小車上，主要包括功率模塊、電解電容、驅(qū)動板、控制板、開關(guān)電源、均壓電阻、吸收電容、電流互感器、電抗器、濾波器、熔斷器等。

安裝小車四角安裝有軌道輪，支撐整個安裝架，可以在防爆殼體內(nèi)的軌道上自由推拉。

4 裝配關(guān)鍵技術(shù)

4.1 裝配準(zhǔn)備工作

在組裝前，除了準(zhǔn)備好需要用到的工具，例如:十字螺釘?shù)?頭部帶有磁性的最好)或者電動螺釘?shù)锻?，最主要的是對人體的放電處理。由于IGBT模塊為MOSFET結(jié)構(gòu)，IGBT的柵極通過一層氧化膜與發(fā)射極實現(xiàn)電隔離。由于此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般達(dá)到20～30V。因此因靜電而導(dǎo)致柵極擊穿是IGBT失效的常見原因之一。因此在使用模塊時，盡量不要用手觸摸驅(qū)動端子部分，當(dāng)必須要觸摸模塊端子時，要先將人體或衣服上的靜電用大電阻接地進(jìn)行放電后，再觸摸。

4.2 安裝功率模塊(IGBT)

IGBT模塊安裝在小車的最內(nèi)層，以便與防爆殼體背部的散熱器基板接觸固定，同時每組IGBT模塊都固定在安裝小車上的安裝基板上。安裝或更換IGBT模塊時，應(yīng)十分重視IGBT模塊與基板、基板與散熱片的接觸面狀態(tài)和擰緊程度。為了減少接觸熱阻，需要在IGBT模塊與基板、基板與散熱片間涂抹導(dǎo)熱硅脂。圖1所示是IGBT模塊實物安裝圖。

圖2 功率模塊(IGBT)

4.3 安全性能方面

這種模塊化抽屜式防爆機芯結(jié)構(gòu)因結(jié)構(gòu)較為緊湊，元件之間距離較近，因此必須保證相關(guān)防爆電器設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)要求的電氣間隙和爬電距離。防止元件之間以及元件接線端子與安裝架之間距離過近，發(fā)生擊穿漏電現(xiàn)象。

圖3 機芯實物圖

5 可行性分折

防爆變頻器機芯的電氣設(shè)計原理、工藝構(gòu)造都嚴(yán)格按通用變頻器的設(shè)計思路而得來，所以在電氣技術(shù)上是成熟的。在機械結(jié)構(gòu)方面，借鑒了我國目前防爆開關(guān)大量應(yīng)用的抽屜式芯架結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)也經(jīng)歷了多年的實踐檢驗，證明技術(shù)上也安全可靠的。基于上述原因，設(shè)計一款基于熱管散熱技術(shù)的整體抽屜式低壓防爆變頻器是完全可行的。防爆變頻器整體實物如圖4所示。

圖4 防爆變頻器實物圖

6 結(jié)論

絞車用整體抽屜式低壓防爆變頻器的設(shè)計，在保證變頻器性能的前提下，結(jié)構(gòu)緊湊，造型美觀大方，實現(xiàn)了裝配、檢修過程的便捷性等關(guān)鍵技術(shù)。

［1］ 毛鑫.變頻技術(shù)、防爆變頻器的現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.電氣開關(guān)，2009(6).

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