[发明专利]矿用变频器本体

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于通风设备上的变频器调速装置。

背景技术

我国煤矿井下带式输送机、刮板输送机、风机、水泵、绞车的电气控制广泛使用隔爆型交流鼠笼电动机，由于控制方式简单，均为直接控制，对电机和机械传动装置造成很大的损害。近几年，尽管可控硅交流降压调速技术得到了一些应用，但由于交流降压软起动自身起动特性较差，对电网的冲击大，对移动变电站的容量要求也大，使其使用场合受到一定限制。矿用变频器须具有防爆外壳，它要能承受内部爆炸性气体混合物的爆炸压力，并阻止内部的爆炸向外壳周围爆炸性混合物传播。矿用变频器壳体矿用变频器本体面临的两个主要问题就是隔爆和散热，一方面由于矿井变频器需要隔爆，所以本体必须要密封。然而密封就给变频器的散热带来困难，两者之间存在着一种矛盾关系。解决了散热问题就难以兼顾隔爆，解决了隔爆就难以满足散热的需要。

通用变频器的散热一般采用空气冷却方式和液态冷却方式。

(1)空气冷却方式：一是自冷式散热器，所谓“自冷式”冷却是通过空气的自然对流及辐射作用将热量带走。这种散热器效率很低，但是由于它的结构简单、无噪音、免维护，特别是没有运动部件，所以可靠性高，非常适用于额定电流在20A以下的器件或简单装置中的大电流器件。随着半导体器件价格的不断降低，有些较大容量的器件也采用自冷式散热，尤其在冲击负载的变频器应用更广泛；二是风冷式散热器，主要用于电流额定值在50～500A器件，风冷散热器的特点是散热效率高，其传热系数是自冷式散热效率的2～4倍。因需要配备风机，因而燥声大，容易吸入灰尘，可靠性相对降低，有一定维护量。散热器材料质量特性对散热效率有显著影响。紫铜导热系数相当于工业铝的2倍，在相同散热效率下，紫铜散热器的体积为铝质散热器的1/3～1/2，但由于铜的比重大，价格高，一般较少应用。在通用变频器中，几乎都是采用风冷式铝质散热器。

(2)液态冷却方式：液态冷却的导热系数较之气体冷却可显著提高，对于功率密度大的电力电子装置而言，液体冷却是最好的选择，但液体冷却系统需要利用循环泵来保证冷却液在热源和冷源之间循环，以交换热量。一是采用油冷式散热器，由于油的冷却性能比空气好，同时也由于将阀体安装在油箱中可以免手环境条件的影响，具有很高的绝缘性和电磁屏蔽效果，所以曾在高压大功率电力电子装置中得到相当广泛的应用。但由于水冷系统不论从冷却效果还是环境影响方面均具有明显的优势，所以近年来油冷系统似乎已渐渐淡出高压大功率变频器领域。二是采用水冷式散热器，水冷式散热器的散热效率极高，等于空气自然冷却换热系数的150～300倍。以水冷式散热器代替风冷式散热器，可大大提高器件的容量。但是，由于普通水的绝缘性较差，水中存在的杂质离子会在高电压下导致电腐蚀和漏电现象，只有在低电压(400VDC或380VAC)下，才可以采用普通水冷却。为使上述水冷系统进入高压大功率电力电子领域，必须解决冷却水的纯度和长期运行时系统的可靠性及腐蚀两大问题。三是采用热管散热器，热管是一种传热性极好的人工构件，它利用“相变”传热的原理，与金属铜、铝等实体材料和天然传热方式完全不同。其有效导热性是铜、铝等有色金属的成百、上千倍。热管散热器就是利用热管技术对散热器进行改进而制作出来的新品，对于双面散热的分立电力电子器件，风冷的全铜或全铝散热器的热阻只能达到0.04℃/W，而热管散热器的热阻可达0.01℃/W。在自然对流冷却条件下，热管散热器比实体散热器的性能可提高10倍以上。热管散热器可以采用自冷的方式，无需风扇，没有噪音，免维修，安全可靠。采用水-铜热管散热器(以水为介质，铜为管壳材料)，其蒸发段以压装方式装入铜材制成的基座，基座平面固定功率器件，冷凝段压装铝质散热片，形成热管散热器可有效地将功率器件在防爆腔体积聚地热量传导到壳体外并通过散热片快速散发，从而就解决了较大功率防爆变频器的散热问题。

变频器由于要满足防爆要求，变频器的所有电子器件封于防爆壳体的主腔内，风冷无法实现；水冷需要水循环系统和散热器，体积大安装和维护不方便，特别对于煤矿井下的工况环境条件，此种散热方式也不宜使用。因此，防爆变频器的功率越大，防爆散热问题越突出，解决不好，将直接影响变频器的使用寿命和性能的稳定性。

现有最好的技术是热管散热器，在自然对流冷却条件下，热管散热器比实体散热器的性能可提高10倍以上。热管散热器可以采用自冷的方式，无需风扇，没有噪音，免维修，安全可靠。但该技术应用于井下变频器设备时，由于井下环境恶劣，粉尘多，散热器很容易堆积灰尘，从而很大程度上影响了散热效果。同时该技术没有很好的解决隔爆的问题，且体积过大，占用巷道空间大。