1 引言

隨著分布式光伏的大力發(fā)展，25~60kW功率等級(jí)的組串式逆變器在工商業(yè)屋頂及小型山丘電站上得以廣泛應(yīng)用。為了提高逆變器的散熱性能，延長(zhǎng)逆變器的實(shí)際使用壽命，主流25kW以上功率等級(jí)的組串式逆變器大都采用IP65高防護(hù)能力的戶(hù)外型風(fēng)扇散熱。由于組串式逆變器一般就近安裝在組件的下方或旁邊，面臨風(fēng)吹日曬，甚至沙塵等惡劣使用環(huán)境的挑戰(zhàn)，組串式逆變器所配置的外部風(fēng)扇是否能滿(mǎn)足戶(hù)外使用所要求的防水、防塵及鹽霧要求呢？筆者接下來(lái)帶領(lǐng)大家對(duì)國(guó)內(nèi)某知名組串式逆變器廠(chǎng)家所選用高防護(hù)戶(hù)外風(fēng)扇進(jìn)行深入的剖析。

2 組串式逆變器風(fēng)扇散熱的必要性

《散熱方案選擇主要取決于逆變器功率》一文從理論分析認(rèn)為：當(dāng)組串式逆變器單機(jī)功率大于25kW時(shí)，散熱熱流密度較大，從散熱效果的角度采用強(qiáng)制風(fēng)冷散熱方式更為適宜。《不同散熱方式組串式逆變器散熱能力調(diào)查》一文則通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比不同散熱方式的兩廠(chǎng)家組串式逆變器散熱能力發(fā)現(xiàn)，在同樣的環(huán)境溫度下，強(qiáng)制風(fēng)冷的逆變器內(nèi)部環(huán)境溫度及核心器件溫度比自然冷卻的逆變器低約20℃左右，強(qiáng)制風(fēng)冷的逆變器散熱性能更優(yōu)，實(shí)際使用壽命更有保障，逆變器可在較高的環(huán)境溫度下滿(mǎn)功率輸出，保證發(fā)電量。國(guó)內(nèi)某光伏電站運(yùn)行狀況調(diào)研發(fā)現(xiàn)，采用自然冷卻方式的組串式逆變器由于散熱性能差，高溫環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)降額運(yùn)行，導(dǎo)致逆變器發(fā)電量損失。再次驗(yàn)證了“當(dāng)組串式逆變器單機(jī)功率大于25kW時(shí)，采用強(qiáng)制風(fēng)冷散熱方式更為適宜”設(shè)計(jì)觀點(diǎn)的正確性。筆者通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)主流逆變器廠(chǎng)家25kW功率等級(jí)以上的產(chǎn)品大都采用強(qiáng)制風(fēng)冷散熱方式，如SMA、Sungrow、Delta等，并采用IP65高防護(hù)等級(jí)的戶(hù)外型風(fēng)扇，以滿(mǎn)足逆變器IP65防護(hù)等級(jí)前提下，提高逆變器的散熱性能。

3 此風(fēng)扇非彼風(fēng)扇之防護(hù)篇

世界上第一臺(tái)風(fēng)扇起源于1880年，美國(guó)人舒樂(lè)首次將葉片裝在電動(dòng)機(jī)上后接通電源，葉片飛速轉(zhuǎn)動(dòng)，陣陣涼風(fēng)撲面而來(lái)。部分人對(duì)風(fēng)扇印象可能還停留在風(fēng)扇噪音大，防水防塵能力差，線(xiàn)圈容易生銹，使用壽命短，容易壞的階段。但隨著風(fēng)扇使用場(chǎng)合的多樣化，使用環(huán)境對(duì)風(fēng)扇防護(hù)設(shè)計(jì)及壽命不斷提出挑戰(zhàn)，經(jīng)過(guò)風(fēng)扇廠(chǎng)家的不斷設(shè)計(jì)創(chuàng)新，風(fēng)扇防護(hù)能力及壽命得以大大提高。目前高防護(hù)、長(zhǎng)壽命的戶(hù)外型風(fēng)扇已應(yīng)用在通信電信、電力電子等領(lǐng)域。此風(fēng)扇所指為組串式逆變器采用的高防護(hù)戶(hù)外風(fēng)扇，而彼風(fēng)扇所指為傳統(tǒng)的普通無(wú)防護(hù)風(fēng)扇或低防護(hù)風(fēng)扇，二者的性能有一定差異，需要對(duì)兩種風(fēng)扇進(jìn)行深入剖析，以改變?nèi)藗儗?duì)風(fēng)扇的固有印象。

3.1 風(fēng)扇高防護(hù)工藝介紹

高防護(hù)戶(hù)外風(fēng)扇主要由框架﹑扇葉﹑PCB板、定子、轉(zhuǎn)子、軸承六部分組成。風(fēng)扇防護(hù)工藝主要是針對(duì)內(nèi)部線(xiàn)圈及PCB板上的電子部件進(jìn)行保護(hù)。普通無(wú)防護(hù)風(fēng)扇或低防護(hù)的風(fēng)扇，風(fēng)扇線(xiàn)圈繞組及部分電子器件直接暴露在空氣中，如圖1(a)所示，由于防護(hù)等級(jí)較低，若PCB板上電子器件接觸濕氣或灰塵堆積，極易導(dǎo)致風(fēng)扇失效，同時(shí)風(fēng)扇線(xiàn)圈長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中也會(huì)導(dǎo)致生銹。與低防護(hù)風(fēng)扇的防護(hù)工藝相比，高防護(hù)戶(hù)外風(fēng)扇采用環(huán)氧樹(shù)脂或硅膠對(duì)整個(gè)風(fēng)扇線(xiàn)圈和PCB板進(jìn)行完全密封，杜絕濕氣、灰塵、鹽霧等對(duì)繞組及電子器件的影響，能夠達(dá)到IEC60529標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的IP65以上防護(hù)等級(jí)，完全可以放置在戶(hù)外使用，如圖1(b)所示。


為了從實(shí)驗(yàn)的角度再次驗(yàn)證高防護(hù)戶(hù)外風(fēng)扇的防護(hù)性能，筆者選取了嶄新的主流高防護(hù)戶(hù)外風(fēng)扇以及在某光伏電站使用了3年的高防護(hù)戶(hù)外風(fēng)扇作為試驗(yàn)樣品，進(jìn)行防水、防沙塵、防鹽霧能力測(cè)試，通過(guò)檢測(cè)高防護(hù)戶(hù)外風(fēng)扇測(cè)試前后的轉(zhuǎn)速、電流、絕緣電阻等核心電氣指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)測(cè)試前后核心電氣指標(biāo)在誤差范圍內(nèi)，完全符合IEC60529標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的IP65防護(hù)等級(jí)的設(shè)計(jì)要求。

3.2 風(fēng)扇防水能力測(cè)試

針對(duì)IPX5防護(hù)等級(jí)的風(fēng)扇，按照IEC60529標(biāo)準(zhǔn)要求在距離機(jī)殼表面2.5米到3米的范圍內(nèi)使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試噴嘴從所有可行方向?qū)︼L(fēng)扇樣品進(jìn)行噴濺，水流量在12.5升/分鐘，最短測(cè)試持續(xù)時(shí)間3分鐘。測(cè)試結(jié)束后，對(duì)風(fēng)扇核心電氣指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，誤差在范圍內(nèi)，將風(fēng)扇拆分內(nèi)部無(wú)進(jìn)水痕跡。

3.3 風(fēng)扇防塵能力測(cè)試

針對(duì)IP6X防護(hù)等級(jí)的風(fēng)扇，按照IEC60529標(biāo)準(zhǔn)將風(fēng)扇樣品置于密封的沙塵箱內(nèi)，沙塵箱內(nèi)充滿(mǎn)了被攪動(dòng)起來(lái)的直徑大小在50μm至75μm之間的滑石粉，測(cè)試時(shí)間為8小時(shí)。測(cè)試結(jié)束后，同樣對(duì)風(fēng)扇核心電氣指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，誤差在范圍內(nèi)，拆分后風(fēng)扇定子、轉(zhuǎn)子完好，無(wú)沙塵侵入內(nèi)部軸承及PCB板等關(guān)鍵區(qū)域。

3.4 風(fēng)扇防鹽霧能力測(cè)試

針對(duì)防鹽霧能力測(cè)試，按照IEC60068-2-52《鹽水噴霧循環(huán)試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)將風(fēng)扇樣品放入鹽霧箱內(nèi)，在15℃～35℃溫度下，用質(zhì)量百分比濃度為5%的氯化鈉溶液連續(xù)噴霧24小時(shí)，然后存儲(chǔ)12小時(shí)為一次循環(huán)，總共測(cè)試3個(gè)循環(huán)。測(cè)試結(jié)束后，同樣對(duì)風(fēng)扇核心電氣指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，誤差在范圍內(nèi)，拆分后風(fēng)扇軸承、線(xiàn)圈、PCB板等關(guān)鍵區(qū)域無(wú)生銹痕跡。

4 此風(fēng)扇非彼風(fēng)扇之壽命篇

風(fēng)扇壽命主要由軸承內(nèi)潤(rùn)滑油的含量、種類(lèi)以及使用環(huán)境決定。風(fēng)扇壽命可通過(guò)不同的技術(shù)方法測(cè)試得到。IPC-9591《空氣轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的性能參數(shù)(機(jī)械，電氣，環(huán)境和質(zhì)量/可靠性)》標(biāo)準(zhǔn)中聲明了空氣轉(zhuǎn)動(dòng)裝置包括風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)以及其他強(qiáng)制空氣運(yùn)動(dòng)裝置，并詳細(xì)給出了空氣轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的壽命測(cè)試方法：即通過(guò)在高溫下加速試驗(yàn)得到的實(shí)測(cè)壽命，利用轉(zhuǎn)換公式推算出正常工作溫度范圍下的使用壽命。

IPC-9591標(biāo)準(zhǔn)中的推算公式為，其中為加速測(cè)試時(shí)的環(huán)境溫度，為在溫度下的實(shí)測(cè)壽命，為需折算到環(huán)境溫度，為推算出的溫度時(shí)的使用壽命。筆者通過(guò)咨詢(xún)國(guó)際幾大主流風(fēng)扇廠(chǎng)家，如NMB、EBM和SANYO，大都采用IPC-9591的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)給出各自風(fēng)扇產(chǎn)品的壽命曲線(xiàn)。圖5所示為某國(guó)際主流風(fēng)扇廠(chǎng)家利用IPC-9591標(biāo)準(zhǔn)的推算方法給出的壽命曲線(xiàn)及數(shù)據(jù)。

以組串式逆變器最?lèi)毫迎h(huán)境溫度50℃考慮，風(fēng)扇正常運(yùn)行時(shí)間可達(dá)60319小時(shí)。一般逆變器廠(chǎng)家會(huì)采用智能強(qiáng)制風(fēng)冷控制，只有在逆變器模塊溫度達(dá)到70℃以上時(shí)風(fēng)扇才會(huì)滿(mǎn)轉(zhuǎn)。在正常一天內(nèi)，風(fēng)扇滿(mǎn)轉(zhuǎn)時(shí)間大約為6小時(shí)，陰雨天情況下運(yùn)行時(shí)間會(huì)縮短，以此為計(jì)算條件可得風(fēng)扇使用壽命約為60319/6/365=27.5年。

通常情況下不需要對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行維護(hù)，即便出現(xiàn)最壞的情況需要更換風(fēng)扇時(shí)，也可快速的對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行更換。以某知名廠(chǎng)家的組串式逆變器為例，風(fēng)扇位于機(jī)箱外側(cè)，采用可拆卸的固定方式，更換一只風(fēng)扇所需時(shí)間平均在1分鐘左右，并且更換風(fēng)扇逆變器無(wú)需停機(jī)。
5 結(jié)論

高防護(hù)戶(hù)外風(fēng)扇由于采用了整個(gè)線(xiàn)圈及PCB板完全灌封的防護(hù)工藝，從設(shè)計(jì)上完全可以達(dá)到IP65以上防護(hù)等級(jí)。通過(guò)對(duì)主流的高防護(hù)戶(hù)外風(fēng)扇進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明高防護(hù)戶(hù)外風(fēng)扇完全符合IP65防護(hù)等級(jí)要求，能夠滿(mǎn)足在風(fēng)沙大、腐蝕性強(qiáng)、風(fēng)吹日曬雨淋等惡劣環(huán)境中長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的要求。高防護(hù)風(fēng)扇的防護(hù)等級(jí)及壽命設(shè)計(jì)完全匹配組串式逆變器整機(jī)防護(hù)及壽命設(shè)計(jì)要求。

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