电气控制柜散热方法的比较分析研究_李若斓.pdf

工 程 技 术INDUSTRIAL INNOVATION 产业创新研究141基金项目：内蒙古化工职业学院科研项目“一种自带散热功能的电气控制柜的研究与设计”（项目编号：HYZRYB2105）。作者简介：李若斓，女，内蒙古呼和浩特人，实验师；研究方向：机电一体化。电气控制柜散热方法的比较分析研究李若斓（内蒙古化工职业学院，内蒙古呼和浩特 010070）摘要：随着我国电气设备的发展，电气控制柜被使用的频次越来越高，在安装电气设备的过程中，电气控制柜也要被一同放入现场，这样既可以节约安装费用，又能有效提高设备的安装效率。但是施工现场往往伴有粉尘、高温等情况，安装环境较为恶劣。另外，为了提高电气控制柜的控制需求，箱体内部安装了很多发热元件，极易发生控制柜自燃等情况。为了保证现场施工安全，保护电气控制柜不受损坏，保持电气控制柜内的温度是十分有必要的，本文列举了几种电气控制柜的散热方法，并结合其实际效用进行比较分析。关键词：电气控制柜；散热方法；比较分析电气控制柜中的变频器、变压器、固态继电器等都是发热的主要来源，这些电器元件有生热快温度高的特点，容易造成电气控制柜温度过高出现故障的情况，所以必要的散热措施能够为电气控制柜提供保护，延长电气控制柜的使用寿命。一、电气控制柜电气控制柜是一种控制电器的设备，电气控制柜分为两大类别，第一种称为传统继电控制柜，第二种被称为 PLC（可编程序逻辑控制）。继电控制柜采用硬件接线的方式完成控制，具有造价低廉操作简单的优势，但其只适合对电气控制要求较为单一的行业。而 PLC 则具有过载、短路、缺相保护等多种保护功能，并可以根据实际需求进行自由组装，应用范围较广，对于各个行业的需求都能够给予满足，并且具有体积小、能耗低等优点。但是柜体中含有大量的电气元件，所以在使用过程中易产生发热情况。电气控制柜需要一定的散热方式，以保护控制柜的安全，下面针对电气控制柜散热方法进行说明。二、散热方法电气控制柜的散热方法较多有风扇、空调、热交换等多种形式，这些散热方法都是使用较为广泛且技术成熟的散热方式，下面将针对这些散热方法做出探究。（一）风扇散热法风扇散热又被称为过滤风扇散热，风扇散热效果非常明显，并且由于风扇散热的造价不高，对能源的消耗量较小，所以也是一种非常经济的散热方式。当电气控制柜内部温度极高时，只有通过风扇近距离快速转动才能够达到明显的散热效果，初中物理学中提到热空气比冷空气轻，柜内的空气流动应该是自下而上的，所以设计人员通常将柜体下方作为进气口，而柜体上方则作为出气口。若施工环境较为良好，现场施工中没有油污、粉尘、水汽等影响电气控制柜内的电气元件，那么则可以在电气控制柜的排气口做一些装饰，保证其美观性，进气口处的风机也可以加装一组装饰，使电气控制柜变得更为美观1。但是工作现场环境不理想，油污、粉尘、水汽等随处可见，严重影响到了电气控制柜的正常工作效果，那么在进气口就需要安装过滤风扇，并且在排气口处还需要再加装一组格栅。随着技术的发展，国内国外都有十分成熟的产品推出，使风扇安装更加简单快捷，风扇中的过滤网也可以轻松更换。这种过滤网一般采用轻型的无纺布材料制成，在此基础上还产生了细过滤垫。无纺布的过滤垫可以方式 10m 以上的可以状物质进入电气控制柜内，而细过滤垫则可以方式 10m 以下的颗粒状物质进入电气控制柜内，且这两款过滤垫可以叠加使用，有效降低灰尘颗粒进入电气控制柜造成控制柜元件损坏的情况发生，风扇散热法也是目前市场中最为经济适用的散热方式之一。（二）空调散热法当室内温度高于电气控制柜温度，或高于电气控制柜要求温度时，可以考虑使用空调散热的方式，工业空调是采用压缩机制冷原理进行持续制冷，通过制冷达到电气控制柜内部温度的恒定，其可以将控制柜内的温度一直控制在一个标准温度区域之前，由于空调散热的原因，所以电气控制柜内工 程 技 术产业创新研究 2023.7 第14 期142的空气与外界并不流通，所以能够有效隔绝粉尘、水汽等可能损伤电气控制柜的外部因素，提高了电气控制柜的使用寿命。空调安装方式一般采用壁挂式与顶装式，空调的大小类型也需要根据电气控制柜实际散热需求制定，现在的空调散热法的基本制冷量一般按照德国威图公司提供的经验来进行选择。安装空调的过程中需要注意电气控制柜需保持密封状态，并且在安装定装空调散热的过程中，定装空调不能够把电气控制柜内的顶板压坏，所以在安装顶装空调前，需要增加控制柜内顶板的厚度。当一切安装就绪之后，要将空调的冷凝管插入导出孔之中，预防冷凝水逆流至柜体中，现在有一些空调散热已经研究出了无冷凝水排出的技术，冷凝水通过专业处理器后迅速汽化，从而减少了冷凝水逆流的风险。当前空调最大的制冷量能够达到 4000W 之上，满足了各种环境下客户对于散热的不同需求。并且为了户外电气控制柜的散热需求，一些厂商还推出了户外用空调，丰富了空调散热产品的种类及应用范围。空调散热是一种较为恒定的散热方式，但其对于电力的消耗较大。（三）热交换器电气控制器想要达到隔绝外部空气的要求，除了常见的空调散热之外，还可以安装热交换器，热交换器需要有冷却介质，冷却介质一般分为空气冷却介质与水冷却介质。使用空气冷却的过程中热交换器需要连接柜体与外部空间，柜体内的热气流会随着散热片流动至热交换器中，之后通过连接管道逐步将热气释放至外部空间，从而达到电气控制柜散热的效果，这种方式十分环保，不需要任何的能源供应，但是外部空间的温度需要低于电气控制柜内的温度。利用水作为介质其原理与空气介质十分相似，但是水介质的适用范围更广，对于粉尘、油污较多的现场环境十分实用，只不过这种方式需要依靠大量的流动的水源进行介质的更换，所以在用水作热交换介质的过程中，现场需要有流动持续的水源供给2。（四）其他散热方式通过上文分析可知，电气控制柜分为两种，继电控制其内部发热元件较少，安装灵活，所以本身产生的热量较低，完全可以采用自然冷却的方式进行散热，无需额外的散热手段，同时为了提高散热效率，对于继电控制器外部的柜体也可以进行升级，利用散热性能将好的金属片作为散热主要材料，提高散热效率。但是针对现场环境温度高、粉尘较大等情况，电气控制柜需要移到另外的场地，需要增加额外的电气控制柜安置房，这样能够保证电气控制柜有充足的散热空间，不受外界环境影响，保证了电气控制柜的使用效率。三、散热方式对比分析现在市场上流行的电气控制柜散热方式有风扇散热、空调散热、交换器散热三种，并且还有自然散热与电气控制柜安置房两种不太常见的形式，这些形式能够为电气控制柜散热提供有效帮助，但又都存在短板，下面对这几种散热方式进行对比分析，从中找出最适合的散热方式。（一）经济性对比从经济性的角度来看，自然散热方式与以空气为介质的交换器散热方式其成本最低，但是这两种方式都有一定的局限性，使用频率较低。空调散热、风扇散热、水介质交换器散热这三种方式来看，水介质转换器散热方式是其中成本最低的方式，这种方式需要流动的水源，但是水进入散热器之后其散热过后的水将会被排出储存，可以通过水循环的方式完成散热的目标，不浪费水资源，引水、排水等所需要的电量都较风扇散热、空调散热消耗量小，所以利用水为介质的热交换器成了最佳选择。空调散热与风扇散热相比，风扇散热的电消耗量明显小于空调散热，所以空调散热的方式是一种最不经济的散热方法。（二）散热效果这几种方式的散热效果以风扇散热为最佳，风扇散热不仅能够在短时间内对柜体内部电器元件进行快速降温，而且这种方式对于技术的要求不高，很多电气控制柜都能够使用。调查显示，风扇散热在短时间内可以将电器控制柜内的温度降低 70%左右，能够达到瞬间降温的散热需求。而空调散热的效果位居第二，空调散热能够持续为电气控制柜提供冷气，并将电气控制柜内的温度控制在一定的范围中，可以根据实际使用需求调节温度，是一种持续散热的方式，交换器散热的效果要远低于前两种散热方式，并且其对于安装环境较为苛刻，利用空气介质进行散热需要室外环境温度低于柜体内部温度，从散热效果以及实际使用情况出发，风扇散热效果最佳3。（三）安装、维护比较电气控制柜散热方式有很多，但实际使用过程中还需要对散热设备进行维护，在电气控制柜的安装维护过程中，风扇散热是最简单快捷的方式，风扇结构简单，安装的过程中只需要在两旁打孔即可实现，风扇中所带有的过滤网可以更换，所以风扇散热方式易维护易安装，其次是热交换器，热交换器结构简单，工序也不复杂，并且由于热交换器所需要的介质等都是十分易得的，所以其安装维护不用耗费大量的时间与精力4。而空调散热的安装与维护相对于前两者而言较为复杂，安装空调散热时，需要考虑散热位置，同时根据散热量考虑散热所需的空调功率，并且还要加装外机与冷凝水排出的孔道，对于顶部加设空调的电气控制柜而言，还需要加强顶板的厚度，后续维护过程中还需要对空调进行除灰处理，空调损坏后还需要维修压缩机构，多种维护使得空调散热方式的安装与维护十分困难，提高了安装维护的成本投入。（四）密封性比较风扇散热是密封性最差的一种散热措施，因为风扇本身需要借助外界空气流动达到散热的效果，并且滤网虽然能工 程 技 术INDUSTRIAL INNOVATION 产业创新研究143够过滤掉大部分粉尘，但是过滤网需要及时更换，另外过滤网由无纺布等材料制作，虽然能够起到一定的过滤作用，但长期使用风扇散热的话，电气操作柜中依然会存在积灰的问题，清理起来比较困难，有可能还能损伤电器元件。热交换器相对风扇而言其密封性更好，热量通过管道排出，但是管道依旧链接外部空间，一些灰尘有可能会随着管道逐步积累至操作箱之中，并且还需要对管道进行定期的清理工作。密封性最佳的就是空调散热方式，这种方式会将压缩机与外机分开，使电气操作柜始终处于相对密封的状态，不容易造成灰尘的积累，加强密封性的同时又对操作柜内的电器元件进行了相应的保护。（五）使用环境比较通过这三种散热方式来看，电扇散热能够适用于多种作业环境，对于室外温度、室内粉尘、油渍等要求较低，并且由于电扇散热易于组装，可以在多种情况下使用。而空调散热是散热方式中最烦琐的，使用受环境影响较大，组装困难。以空气为介质的交换器散热过程中，需要室外温度低于柜体温度才能使空气进行循环流通，对于外部环境温度有着一定的要求，同样以水为介质的交换散热器需要靠近水源，水源附近还必须有电源，这样才能保证和交换器内部的水达到散热效果。三者相比较，电扇散热是一种适用范围最广的散热方式5。（六）其他散热方式比较其他散热方式有自然散热与安置屋散热两种，自然散热的经济性最高，因为其不需要额外加装散热设施，并且自然散热的方式对于环境温度要求不高，适用范围较广。电气操作柜安置屋是散热成本最高的散热方式，不仅要为电气操作柜搭建优质的房屋，还需要做好屋内通风、清洁工作，在建筑四周都需要做好防水处理，防止发生雨水渗漏的情况，并且由于电器操作箱需要操作电气设备，所以还要预埋电缆、管线，埋设距离越长投入成本越大，房屋建好之后还需要重新为电气操作柜进行一定的散热处理，根据需求选择风扇散热、空调散热与交换器散热，增加了成本的支出。但是安置屋散热密封性最强、散热性最好，并且不受环境的影响，由于电气操作柜都安置在室内，室内的灰尘较少，对于设备进行了良好的保护十分适用于高污染、高油污的区域，并且由于将所有的电气操作柜结合在了一起，所以电气操作柜的维修养护工作更加容易开展。自然散热与安置屋散热分别对应了电气操作柜中的两个极端情况，在理想状态下自然散热是最好的选择。通过多方面的对比可以得知，电气操作柜散热有多种方式，其中优势最明显、适用范围、散热效果最好的是风扇散热法，密封性最强的是空调散热法，交换器散热法属于一种优势劣势都不明显的散热方式，说明其运行稳定性更佳，其他如自然散热法与电气操作柜安置屋散热法应用范围极为狭小，所以此次比较分析中只对其作出的简单说明，并不列入主要分析范围之内。四、结语本文对电气控制柜散热方法进行了比较分析，电气控制柜散热的主要方式有三种，分别是风扇散热、空调散热与交换器散热，这三种方式都能够有效降低电气控制柜的热量，并且这三种方式的适用范围较广，这三