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电气控制柜空调使用浅见

电气控制柜空调使用浅见

一、引言

在现代工业环境中。各种类型的电气控制柜随处可见，随着技术的不断发展，各种电气控制系统的复杂程度日益增高，系统本身向着高度集成化、高度自动化、控制高精度方向发展，而且为了适应高密度的生产计划的需求，系统本身的稳定性要求也在日益提高。

系统的稳定性不完全取决与系统本身的架构，元器件（硬件）和软件本身，同时取决于系统所处的运行环境，而且这个因素十分重要，但最容易被忽略。

目前来看影响电气系统的环境因素有以下几个方面：

1、粉尘类。如钢铁厂内的金属粉尘，产煤区域的煤粉尘，纺织类工作区间的各种纤维等等。

2、雾类（气体类）。有毒、有腐蚀性气体，加工中心区域的油雾，汽车厂喷漆车间的喷雾等等。

3、潮湿。如各种涉水作业的区域，雨天，以及江南地区的梅雨季节等等。

4、温度。各种高温区域以及各种元器件的发热量。

5、干扰。如电磁干扰等。

以上这些环境因素影响问题的解决，在很多时候又是相互影响的。例如：现场最常见的第1、2类影响的解决，主要依靠提升元器件和柜体的IP等级来实现，或者说增加柜体的密封性，但这种做法的副作用就是严重影响了柜内空气的流动，直接影响了散热，但如果使用加装风扇的手段来解决散热问题，那么又会对第1、2类的影响的解决带来不利因素。所以，选择一种能有效统筹解决以上5类问题的方案对于系统运行稳定性是至关重要的。

二、 控制柜空调的原理

在这里本文推荐采用空调（压缩机制冷）的方式来实现该方案（如图一）

其主要原理如下图：

当然，在文中所指的空调不是普通的家用空调（原理近似），这是一种电气系统专用的空调设施，从结构上来看其不但要保证制冷性能，而且安装上要考虑系统整体的IP等级要求。

接下来让我们看看这种设备是怎样解决上述环境问题的。

首先，空调的安装使用将不改变原有电柜的密封性（IP等级）。目前来说，一般厂商都在柜体与空调接口的安装面上使用PE板或橡胶条（如图二），通过安装螺栓给予的预紧力使PE板或橡胶条压缩变形以达到密封的要求，对于空调本身的蒸发器和冷凝器来说，一般采用隔板的形式加以区分。这样的话，对于粉尘、油雾等的影响可以有效解决，而且也不影响金属柜体抗外界的电磁干扰的功能。

其次，由于空调本身工作原理决定了制冷过程会伴随有一个除湿过程。这样，对于柜内的绝对温度和相对温度的控制是会有效的。

最后，空调产生的最直接的效果就是在确保系统IP等级的条件下，能有效的控制电气控制柜内的温度，使得系统能在最佳工作温度条件下运行。

三、 控制柜空调的分类

按照安装形式的不同进行分类：

按照安装形式的不同，主要分为侧挂式、顶置式和中央式。其中侧挂式有可以分为嵌入式和非嵌入式，按冷风出风方式又可以分为上出风式和下出风式。

侧挂式是目前的主流安装形式，其特点是安全性高，蒸发器部位的冷凝水不易被带出，而且安装方便。其缺点是有效温区范围较小。侧挂式最佳效果的安装方式是针对主要发热元器件直接安装在柜门上（充分利用电柜较窄的特点来回避侧挂的缺点。如图三）

嵌入式和非嵌入式的区别。

正如图中所示，其实嵌入式和非嵌入式的机组本身的厚度是相差无几的，甚至嵌入式会略微厚一些。嵌入式在安装时有一部分机体装入柜内，这样其留在柜外的部分就少，从外面看好象空调机组非常薄，整体美观性较强。但由于要占用柜内较大空间，所以实用性并不强，对于现场技改的项目来说操作性差，对于配套原装的项目来说会增加成本（柜子需放大）。

非嵌入式的实用性比嵌入式要好，而且成本较低，只是由于其完全安装在柜外，美观方面可能不如嵌入式。当然，这也是智者见智。

侧挂式按照冷风出口方式有可以分为上出风式和下出风式。（如图四）

先说一下下出风式。在这里我个人觉得下出风式从实际效果来看并不是太好。说这个问题时就要先看一下一般控制柜的布局。为了检修和安装方便等原因，像变频器、PLC等主要的昂贵的器件一般布局在柜子的中上部，也就是一个普通人的高度（如图五）。

众所周知，冷空气的密度大于热空气，下送风会造成柜子底部温度明显低于中上部。这就带来了几个问题：第一，底部冷损失巨大，在实际现场中我们发现很多现场的柜体底部密封性较差（主要是电缆进出造成）这样整个空调系统的最低温度的风直接吹到非密封处，其冷损失可想而知，第二，而由于柜体一般均为铁质，并且不会做保温措施，而如图四所示柜子底部又是温度最低区域，此时柜内柜外的温差为最大，此时的冷损失也很大，温差每增加一度，对于一个标准柜而言（2米高，1.8米宽，0.6米厚）其底部的冷损失就会增加100w左右，这样制冷量白白损耗，而实际发热元件的冷却效果却打折了。

而上出风的空调由于冷风出风主要对准发热元器件，其效果就比较直接，而且柜体内部的温度分布比较均匀，冷损失方面要比下出风小很多，而且由于直接吹在元器件上可以近似看作是一次循环的风（这是由于元器件本身在发热，冷风过来后与之产生的热量相抵，而且由于制冷原理产生的除湿效果，柜内的温度控制较低的水平）所以不会产生凝露水。

那么，对于柜子底部有大发热量元器件的情况，上出风式表现又怎么样呢？

我们结合我公司的一个现场实例来分析，这是新飞冰箱厂内胆生产线上。

由于现场控制柜底部有巨大的发热源，而且我公司的GYF-2500的出风口在柜体中间，使得底部发热体的冷却效果不是最佳。在遇到这种极端工况时，我公司会提供一种导风板，利用空调本身的固定孔安装在空调回风口处（如图六），这样等于将空调的回风口下移（具体尺寸甚至可以按现场工况定制），可以将发热体的热风直接吸入空调，而上方的冷空气又能下到柜体最下方，使得柜内由上而下形成均匀的温度梯度。这样的冷却效果最佳，相比下出风式的空调损耗又是最小。

其实，到底是上出风好还是下出风好。这个问题从家用空调的使用中（图七）也可以得到一些印证。在家用空调中，挂壁式空调采用的是下出风，这是由于它的安装高度往往高于人的身高。其实，对于人本身来讲（对应电气柜的发热体）其实它是上出风的，而柜式空调的进出风形式就更明确的表现了这一点（几乎没有是下出风的）。

顶置式是一种对于温度均匀性和外观美观性都不错的选择（如图一）。但是由于其位于电气柜的最顶部，出风口又在顶部，冷凝水一旦处理不当或者有意外，则冷凝水直接滴向电气元件。所以，顶置式空调的安全性是最差的，目前一般都已经不建议采用了。

最后说一下中央式，这是我公司推出的最新的空调型式，这里结合一下实例进行分析。现场为杭州横滨轮胎有限公司帘布压延机。现场的电气控制柜为排柜，长度很长（见图）有12米，每扇门内均布有发热量巨大的变频器。如果采用常规侧挂式的空调，是在两端各布置一台（见图一），则在柜体中央部分的元器件将无法得到有效冷却，，且总制冷量不够（侧挂单台无法做大），如果在门上加挂，则会破坏美观性，而且柜体本身门上有许多操作元件，已经无法布置。有鉴于此，我公司采用了中央式的解决方案（如图八）。

这样做的优点是：

一、外观整齐美观。

二、制冷量可以随意设计，不像侧挂的受安装体积的限制。

三、由于机组本身与柜体同在一个水平面上，因此危险性又比顶置式有效降低许多。

当然这种做法的现场施工量会有所增加。

四、 对于选型和使用的一些看法

接下来再结合我们的使用经验来回答一些问题。

一、如何计算制冷量。

空调的制冷量Q_冷的确定主要有两部分组成：

a、电器元件的发热量Q_热

b、冷损失Q_损

一般来说电器元件的发热量可以从一些手册中查得，我们也有一些简单的估算法，如果电源为220V/50Hz的则将电器总功率×3%来估算，如果电源为380V/50Hz则将电器总功率×2%来估算。

冷损失主要是由于柜体本身的保温特性决定的，当控制温度低于环境温度时，冷损失就产生了。

Q_损=K·S·Δt

K—一般情况下为自然对流 K＜10w/m²·k

Δt—柜内实际温度与环境温度差值

S—柜体表面积

从以上公式也可以看出下出风所产生的Q_损会比上出风大，因为柜子底部实际温度会较低，温差也就大了。

Q_冷=Q_热+Q_损

实际选型时按120%的幅度给以保险系数进行选型。

二、是否有无水空调

我们知道，由于制冷的热力学特征，制冷过程一定会是一个除湿过程，所以冷凝水的产生是必然的，问题是如何处理这些冷凝水。通常的处理方式是引排水管。现在，市场上有些空调号称是无水的，一般采用以下方式来处理冷凝水：

a、加电加热来蒸发水

b、采用排气管和冷凝器的热量来蒸发

第一种方式可以使冷凝水完全蒸发，但增加了许多功耗，而且一但电加热失效，而此时系统本身又不安排排水管路，则水会向柜内渗入，对电器元件的危害性较大。

第二种方式只能是称之为特定工况下的无水空调。因为由于空气条件的千变万化，如空气中的含湿量小，而南方的含湿量大，江南地区的黄梅雨季，则空气湿度更大。所以，此时空调本身产生的冷凝水量也是不一样的。所以根本无法确保仅靠排气温度和冷凝温度、进行完全的蒸发。

综上所述，无水空调是一个美好的愿望，在实际工况条件下是很难做到真正的无水空调。

五、结束语

以上一些观点只是依据我公司的一些经验来阐述的，希望能得到大家的指正。

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