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散热方案选择可影响逆变器寿命2-3倍
来源:阳光电源    点击量:18911  2014-11-13 09:22:06
摘要:采用不同的散热方式,将影响逆变器内各元器件的工作环境温度,进而直接关联各元器件及整机的寿命和故障率。温度对各主要元器件及产品寿命有多大影响?针对风冷自冷方案优劣讨论较多的组串型逆变器,通过产品实际比较,优劣更显而易见。
针对组串型光伏逆变器,业内在风冷自冷散热方案优劣上各有见解。本文分别取市场在销售的国内代表品牌30KW风冷组串光伏逆变器,和20KW自冷组串光伏逆变器(含内扰风扇,用于均匀机箱内部温度)为样本,分析风冷自冷方案对逆变器的寿命影响。
1、 风冷/自冷散热方式下内部器件的工作环境温度
选取两个产品样本在同等的正常工作环境下满载稳定运行,测试收集设备内部各关键元器件温度值如下表1。
表1:满载工作时内部各器件环境温度
(稳定运行在480V直流电压、400V交流电压、50℃环境温度下)
30KW风冷逆变器
20KW自冷逆变器
机器内部空气温度
71℃
81.5℃
膜电容
72.3℃
85.4℃
电解电容
72.5℃
80.3℃
逆变模块NTC温度
86.6℃
95.2℃
风扇入口
50℃
72.81℃
从实测数据比较看,同等工作环境满载稳定运行,20KW自冷逆变器较30KW风冷逆变器机箱内各器件工作温度要高10℃左右。
2、关键器件工作温度与寿命的比较分析
2.1、膜电容寿命对比分析
根据对样本产品的内部温度实测数据,假定纹波电流相同,以1.1倍额定电压工作(曲线倾斜度一致,便于读值选取1.1倍,不影响比较结果),根据图1曲线可获得两者膜电容寿命对比如表2。
图1 膜电容寿命与温度关系曲线
表2:膜电容寿命对比表
壳温
寿命曲线值
折算寿命
30KW风冷逆变器
72℃
40000h
18年
20KW自冷逆变器
85℃
13000h
6年
在关键器件膜电容上,风冷散热工作环境下的器件寿命,是自冷散热工作环境下的器件寿命的三倍。
2.2、内部风扇寿命对比分析
以三洋风扇为例,风扇寿命受温度影响的关系曲线如图2。根据对样本产品的内部温度实测数据,根据图2曲线可获得两者风扇寿命对比如表3:
图2 风扇寿命与温度关系曲线
表3:风扇寿命对比表
入口温度
寿命曲线值
折算寿命
30KW风冷逆变器
50℃
55000h
25年
20KW自冷逆变器
72℃
25000h
11.5年
在关键器件风扇上,风冷散热工作环境下的器件寿命,是自冷散热工作环境下的器件寿命的两倍以上。
2.3、模块寿命对比分析
模块作为逆变器最为核心器件,其工作时内部结温直接影响使用寿命,图3是英飞凌提供的晶元结温与寿命对应关系曲线。根据对样本产品的内部温度实测数据,推算出模块结温和两者模块寿命对比如表4(推算过程专业性强,这里不在赘述)。
表4:模块寿命对比表
NTC温度
模块壳温
结温
对应寿命
折算寿命
30KW风冷逆变器
86.6℃
86.6℃
111.7℃
22000h
10年
20KW自冷逆变器
95℃
95℃
120.1℃
13000h
6年
在关键器件模块上,风冷散热工作环境下的器件寿命,是自冷散热工作环境下的器件寿命的1.7倍。
3、风扇器件寿命及可维护性
器件寿命直接决定整机寿命,故障器件可维护性直接影响整机的维护成本。在30KW风冷逆变器和20KW自冷逆变器的器件比较和设计中,30KW风冷逆变器在风扇设计和选型上有显著优势。
3.1、风扇寿命高于电站寿命
风扇是成熟的工业器件,应用于样本30KW风冷逆变器的是NMB风扇,防护等级为IP65,可在任何灰尘环境下,甚至完全浸入水中正常工作。图4为NMB风扇寿命曲线。
图4 NMB风扇寿命曲线
根据图4,以逆变器运行的最高环境温度50度计算,正常运行时间为60319小时。通过智能强制风冷控制,只有逆变器的模块温度达到70度以上,风扇才会满转,在正常一天内,满足满转条件的时间大概在6小时左右,一年为365天,可得风扇使用寿命如表5。
表5 风扇寿命分析表
工作温度
对应寿命
每天满转时间
折算工作年限
30KW风冷逆变器风扇
50℃
60319h
6h
27.5年
在最恶劣的情况下,30KW风冷逆变器风扇可运行27.5年。另外,考虑雨天、以及环境温度低于50℃等因素,风扇的运行寿命将更长。
3.2、风扇可维护性
30KW风冷逆变器的风扇工作寿命要远长于逆变器,通常情况下不需要对风扇进行维护,即便出现需要更换的情况,也具备良好快捷的可拆卸性,如图5。
图5 30KW风冷逆变器风扇可拆卸结构图
不同的维护人员3次对逆变器进行风扇更换,所用时间如下表6。
表6 风扇更换实验时间表
项目
操作工具
第一次用时
第二次用时
第三次用时
平均用时
更换风扇组件
电动螺丝刀
1′14″
1′09″
1′08″
1′10″
总结:通过对30KW风冷逆变器和20KW自冷逆变器在同等工作环境下的运行数据收集比较,风冷散热方式较自冷散热方式可提升各关键元器件寿命2-3倍。特别是风冷型逆变器的风扇,寿命超过逆变器本身寿命。


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