组串式逆变器高防护户外风扇知多少

 一、 引言

随着分布式光伏的大力发展，25kW~60kW功率等级的组串式逆变器在工商业屋顶及小型山丘电站上得以广泛应用。为了提高逆变器的散热性能，延长逆变器的实际使用寿命，主流25kW以上功率等级的组串式逆变器大都采用IP65高防护能力的户外型风扇散热。由于组串式逆变器一般就近安装在组件的下方或旁边，面临风吹日晒，甚至沙尘等恶劣使用环境的挑战，组串式逆变器所配置的外部风扇是否能满足户外使用所要求的防水、防尘及盐雾要求呢？笔者接下来带领大家对国内某知名组串式逆变器厂家所选用高防护户外风扇进行深入的剖析。

二、 组串式逆变器风扇散热的必要性

《散热方案选择主要取决于逆变器功率》一文从理论分析认为：当组串式逆变器单机功率大于25kW时，散热热流密度较大，从散热效果的角度采用强制风冷散热方式更为适宜。《不同散热方式组串式逆变器散热能力调查》一文则通过实验对比不同散热方式的两厂家组串式逆变器散热能力发现，在同样的环境温度下，强制风冷的逆变器内部环境温度及核心器件温度比自然冷却的逆变器低约20℃左右，强制风冷的逆变器散热性能更优，实际使用寿命更有保障，逆变器可在较高的环境温度下满功率输出，保证发电量。国内某光伏电站运行状况调研发现，采用自然冷却方式的组串式逆变器由于散热性能差，高温环境下会出现降额运行，导致逆变器发电量损失。再次验证了“当组串式逆变器单机功率大于25kW时，采用强制风冷散热方式更为适宜”设计观点的正确性。笔者通过调研发现主流逆变器厂家25kW功率等级以上的产品大都采用强制风冷散热方式，如SMA、Sungrow、Delta等，并采用IP65高防护等级的户外型风扇，以满足逆变器IP65防护等级前提下，提高逆变器的散热性能。

三、 此风扇非彼风扇之防护篇

世界上第一台风扇起源于1880年，美国人舒乐首次将叶片装在电动机上后接通电源，叶片飞速转动，阵阵凉风扑面而来。部分人对风扇印象可能还停留在风扇噪音大，防水防尘能力差，线圈容易生锈，使用寿命短，容易坏的阶段。但随着风扇使用场合的多样化，使用环境对风扇防护设计及寿命不断提出挑战，经过风扇厂家的不断设计创新，风扇防护能力及寿命得以大大提高。目前高防护、长寿命的户外型风扇已应用在通信电信、电力电子等领域。此风扇所指为组串式逆变器采用的高防护户外风扇，而彼风扇所指为传统的普通无防护风扇或低防护风扇，二者的性能有一定差异，需要对两种风扇进行深入剖析，以改变人们对风扇的固有印象。

3.1 风扇高防护工艺介绍

高防护户外风扇主要由框架﹑扇叶﹑PCB板、定子、转子、轴承六部分组成。风扇防护工艺主要是针对内部线圈及PCB板上的电子部件进行保护。普通无防护风扇或低防护的风扇，风扇线圈绕组及部分电子器件直接暴露在空气中，如图1(a)所示，由于防护等级较低，若PCB板上电子器件接触湿气或灰尘堆积，极易导致风扇失效，同时风扇线圈长时间暴露在空气中也会导致生锈。与低防护风扇的防护工艺相比，高防护户外风扇采用环氧树脂或硅胶对整个风扇线圈和PCB板进行完全密封，完全杜绝湿气、灰尘、盐雾等对绕组及电子器件的影响，能够达到IEC60529标准规定的IP65以上防护等级，完全可以放置在户外使用，如图1(b)所示。

图1 风扇的防护工艺

为了从实验的角度再次验证高防护户外风扇的防护性能，笔者选取了崭新的主流高防护户外风扇以及在某光伏电站使用了3年的高防护户外风扇作为试验样品，进行防水、防沙尘、防盐雾能力测试，通过检测高防护户外风扇测试前后的转速、电流、绝缘电阻等核心电气指标，发现测试前后核心电气指标在误差范围内，完全符合IEC60529标准规定的IP65防护等级的设计要求。

3.2 风扇防水能力测试

针对IPX5防护等级的风扇，按照IEC60529标准要求在距离机壳表面2.5米到3米的范围内使用一个标准测试喷嘴从所有可行方向对风扇样品进行喷溅，水流量在12.5升/分钟，最短测试持续时间3分钟。测试结束后，对风扇核心电气指标进行检测，误差在范围内，将风扇拆分内部无进水痕迹。

图2 防水能力测试实验

3.3 风扇防尘能力测试

针对IP6X防护等级的风扇，按照IEC60529标准将风扇样品置于密封的沙尘箱内，沙尘箱内充满了被搅动起来的直径大小在 50μm 至 75μm之间的滑石粉，测试时间为8小时。测试结束后，同样对风扇核心电气指标进行检测，误差在范围内，拆分后风扇定子、转子完好，无沙尘侵入内部轴承及PCB板等关键区域。

图3 防尘能力测试实验

3.4 风扇防盐雾能力测试

针对防盐雾能力测试，按照IEC60068-2-52《盐水喷雾循环试验》标准将风扇样品放入盐雾箱内，在15℃～35℃温度下，用质量百分比浓度为5%的氯化钠溶液连续喷雾24小时，然后存储12小时为一次循环，总共测试3个循环。测试结束后，同样对风扇核心电气指标进行检测，误差在范围内，拆分后风扇轴承、线圈、PCB板等关键区域无生锈痕迹。

图4 防盐雾能力测试结果

四、 此风扇非彼风扇之寿命篇

风扇寿命主要由轴承内润滑油的含量、种类以及使用环境决定。风扇寿命可通过不同的技术方法测试得到。IPC-9591《空气转动装置的性能参数(机械，电气，环境和质量/可靠性)》标准中声明了空气转动装置包括风扇、鼓风机以及其他强制空气运动装置，并详细给出了空气转动装置的寿命测试方法：即通过在高温下加速试验得到的实测寿命，利用转换公式推算出正常工作温度范围下的使用寿命。

IPC-9591标准中的推算公式为 ，其中 为加速测试时的环境温度， 为在 温度下的实测寿命， 为需折算到环境温度， 为推算出的 温度时的使用寿命。笔者通过咨询国际几大主流风扇厂家，如NMB、EBM和SANYO，大都采用IPC-9591的标准来给出各自风扇产品的寿命曲线。图5所示为某国际主流风扇厂家利用IPC-9591标准的推算方法给出的寿命曲线及数据。

图5 某国际主流风扇的寿命曲线

以组串式逆变器最恶劣环境温度50℃考虑，风扇正常运行时间可达60319小时。一般逆变器厂家会采用智能强制风冷控制，只有在逆变器模块温度达到70℃以上时风扇才会满转。在正常一天内，风扇满转时间大约为6小时，阴雨天情况下运行时间会缩短，以此为计算条件可得风扇使用寿命约为60319/6/365=27.5年。
通常情况下不需要对风扇进行维护，即便出现最坏的情况需要更换风扇时，也可快速的对风扇进行更换。以某知名厂家的组串式逆变器为例，风扇位于机箱外侧，采用可拆卸的固定方式，更换一只风扇所需时间平均在1分钟左右，并且更换风扇逆变器无需停机。

图6某知名厂家的组串式逆变器风扇更换流程

五、结论

高防护户外风扇由于采用了整个线圈及PCB板完全灌封的防护工艺，从设计上完全可以达到IP65以上防护等级。通过对主流的高防护户外风扇进行实验测试，结果表明高防护户外风扇完全符合IP65防护等级要求，能够满足在风沙大、腐蚀性强、风吹日晒雨淋等恶劣环境中长期可靠运行的要求。高防护风扇的防护等级及寿命设计完全匹配组串式逆变器整机防护及寿命设计要求。

参考文献：
(1) 《散热方案选择主要取决于逆变器功率》 –北极星太阳能光伏网
(2) 《不同散热方式组串式逆变器散热能力调查》-世纪新能源网
(3) IEC 60529-2013 Degrees of protection provided by enclosures (IP Code)[S]
(4) IEC 60068-2-52 Environmental testing - Part 2: Tests - Test Kb: Salt mist, cyclic (sodium chloride solution)[S]
(5) IPC 9591 Performance Parameters (Mechanical, Electrical, Environmental and Quality/Reliability) for Air Moving Devices[S]