变频器的除湿防凝露研究

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。