中高壓變頻器冷卻方案比較和選型分析

王永鑫

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海200092）

中高壓變頻器冷卻方案比較和選型分析

王永鑫

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海200092）

摘要：隨著電力電子器件的發(fā)展，性能優(yōu)異的中高壓變頻器在各行各業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用，能否處理好變頻器的散熱問題是其長期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。分析了中高壓變頻器熱量產(chǎn)生來源，并從技術(shù)可行性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等角度對(duì)不同冷卻方案的特點(diǎn)進(jìn)行比較，并結(jié)合實(shí)際的工程案例，給出合理的變頻器冷卻方案選型建議，可作為工程電氣設(shè)計(jì)時(shí)中高壓變頻器冷卻方案選型參考。

關(guān)鍵詞：中高壓變頻器；冷卻方案；比較分析；選型建議

1　引言

隨著中高壓變頻器使用率的增加，變頻器如何長期穩(wěn)定運(yùn)行也成為客戶非常重視的問題，而變頻器的散熱問題對(duì)整個(gè)變頻器系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行起著非常關(guān)鍵的作用。因?yàn)楦邏鹤冾l調(diào)速系統(tǒng)雖然是一種非常高效的調(diào)速裝置，但是在運(yùn)行中，仍然有2%－4%左右的損耗，該損耗都變成熱量，最終耗散在大氣中。這些熱量必須從裝置中排除才能保證其溫升不至于過高而影響正常運(yùn)行。因此，中高壓變頻器的通風(fēng)系統(tǒng)需針對(duì)不同的現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行配套設(shè)計(jì)。如何把這些熱量順利地從變頻器中帶出來，是變頻器設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的問題［1］。

2　變頻器熱量來源

中高壓變頻器發(fā)熱一般由以下三部分組成［2］。

一是變壓器和電抗器，變壓器和電抗器由于主回路的大電流必然產(chǎn)生銅耗和鐵耗，而該部分損耗80－90%通過發(fā)熱釋放。這部分發(fā)熱量大約為電動(dòng)機(jī)功率的0．5－1．5%，采用電抗器發(fā)熱量大約為0．5%，采用變壓器發(fā)熱量大約為1．5%。

二是變頻器的功率器件損耗，IGBT、SGCT、IGCT等功率器件由于高頻開關(guān)切換和導(dǎo)通壓降等產(chǎn)生開關(guān)損耗和低通損耗。這些損耗大約為電動(dòng)機(jī)功率的2%。

三是變頻器控制部分損耗，包括控制電源、控制板件，驅(qū)動(dòng)功率器件的驅(qū)動(dòng)電源及其他冷卻風(fēng)扇或者冷卻水泵。這部分產(chǎn)生的熱量相比較前兩項(xiàng)可以忽略不計(jì)。

圖1　風(fēng)道循環(huán)散熱示意圖

3　冷卻方案比較

中高壓變頻器冷卻系統(tǒng)方案選擇的好壞直接影響后期變頻器運(yùn)行質(zhì)量，因此選擇合適的冷卻方式成為前期設(shè)計(jì)工作的一個(gè)重點(diǎn)。目前主流的中高壓變頻器內(nèi)部冷卻方式主要為風(fēng)冷和水冷。風(fēng)冷是通過風(fēng)機(jī)的冷風(fēng)流過散熱片的方法將功率開關(guān)元件上熱量帶走進(jìn)行冷卻。風(fēng)冷沒有其他的附加設(shè)備，只有風(fēng)機(jī)。按照對(duì)熱風(fēng)處理上的不同，風(fēng)冷又可分為強(qiáng)迫風(fēng)冷、空調(diào)密閉冷卻和空－水冷卻三種方式。下面對(duì)幾種冷卻方式進(jìn)行分析比較［3］、［4］。

3．1強(qiáng)迫風(fēng)冷

強(qiáng)迫風(fēng)冷冷卻方式結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，便于維修，缺點(diǎn)是噪聲大，冷卻效率低，維護(hù)量大，必須在控制室中配置足夠大的通風(fēng)設(shè)備來將熱風(fēng)排至控制室之外。強(qiáng)迫風(fēng)冷適用于設(shè)備功率較小的場合，而且其運(yùn)行穩(wěn)定性依賴于當(dāng)?shù)丨h(huán)境，對(duì)空氣潔凈程度要求高。

強(qiáng)迫風(fēng)冷冷卻方式根據(jù)變頻器有無獨(dú)立的散熱風(fēng)道可細(xì)分為風(fēng)道循環(huán)散熱、空氣循環(huán)散熱兩種。

3．1．1風(fēng)道循環(huán)散熱

變頻器出風(fēng)口安裝風(fēng)道，將出口熱空氣引到變頻器室外。此方式的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備投資少，只需要安裝變頻器出風(fēng)口風(fēng)道及進(jìn)風(fēng)口過濾網(wǎng)，維護(hù)簡單。缺點(diǎn)是使用環(huán)境受限，進(jìn)風(fēng)口過濾網(wǎng)需要經(jīng)常維護(hù)。如圖1所示為風(fēng)道循環(huán)散熱示意圖。

3．1．2空氣循環(huán)散熱

變頻器冷卻系統(tǒng)不做任何改動(dòng)，用排風(fēng)機(jī)增大變頻器室的空氣流動(dòng)速率，熱空氣迅速排出。此方式的優(yōu)點(diǎn)是不改動(dòng)變頻器冷卻系統(tǒng)，只需用風(fēng)機(jī)控制室內(nèi)溫度。缺點(diǎn)與風(fēng)道循環(huán)散熱相同?？諝庋h(huán)散熱所需流量只需保證室內(nèi)溫度低于40℃，所需的空氣流量相比于風(fēng)道循環(huán)散熱要低，空氣過濾更容易，但要避免熱空氣局部聚集。

3．2空調(diào)密閉冷卻

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空調(diào)密閉冷卻方式主要是為中高壓變頻器提供一個(gè)固定的具有隔熱保溫效果的房間，根據(jù)中高壓變頻器的發(fā)熱量和房間面積大小計(jì)算出空調(diào)的制冷量，從而配備一定的空調(diào)，其示意圖如圖2所示。采用室內(nèi)密閉冷卻方式，施工簡單，維護(hù)量低。由于變頻器排出的熱風(fēng)并沒有全部被空調(diào)用于熱交換，且空調(diào)排出的冷風(fēng)不是全部進(jìn)入變頻器實(shí)現(xiàn)降溫，因此，該冷卻系統(tǒng)熱交換效率通常只有70%左右。在考慮冷卻設(shè)備的熱交換功率時(shí)，結(jié)合極限運(yùn)行情況下的發(fā)熱量和系統(tǒng)交換效率，空調(diào)的容量設(shè)計(jì)計(jì)算裕度為1．2－1．3倍才能夠符合系統(tǒng)安全運(yùn)行的要求。

3．3空－水冷卻

空－水冷裝置類似于空調(diào)，示意圖如圖3所示，在水管上鑲嵌散熱片，在水管內(nèi)通入冷水，冷水的流量足夠大，保證散熱片較低的溫度。變頻器的熱風(fēng)經(jīng)專用風(fēng)道直接通過空冷裝置進(jìn)行熱交換，由冷卻水直接將變頻器產(chǎn)生的熱量帶走，經(jīng)過降溫的冷風(fēng)排回至控制室內(nèi)。因此，其風(fēng)路循環(huán)效率得到極大提高，風(fēng)路循環(huán)效率接近99%?？眨鋮s方式冷卻效果與空調(diào)密閉冷卻方式類似，不同的是前者通過吸收設(shè)備發(fā)熱而達(dá)到控制中高壓變頻器室內(nèi)環(huán)境的目的，而后者是通過冷卻房間后才能冷卻設(shè)備，對(duì)變頻器而言，空－水冷卻方式效果更直接。

空－水冷設(shè)備整體結(jié)構(gòu)組件可安裝在變頻器室外，其運(yùn)營成本較低，變頻器維護(hù)量低，但對(duì)現(xiàn)場冷卻水水質(zhì)有特殊要求?？紤]到極限運(yùn)行情況下的發(fā)熱量，以及水溫偏高、系統(tǒng)交換效率等因素，空－水冷卻系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)裕度通常選擇為1．15－1．2倍?？眨鋮s系統(tǒng)的運(yùn)營成本是同等熱交換功率空調(diào)冷卻方式的1／4－1／5。冷卻電耗指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于空調(diào)冷卻，避免了能源節(jié)約的二次浪費(fèi)。相比較于空調(diào)密閉冷卻方式，空－水冷卻散熱方式變頻器除塵濾網(wǎng)的清洗周期可由原來的7－15天，延長到30－45天，大大降低了維護(hù)人員的工作強(qiáng)度。

3．4設(shè)備本體水冷

當(dāng)變頻器功率更大或風(fēng)冷無法滿足散熱要求時(shí)，需采用設(shè)備本體水冷方式，示意圖如圖4所示。變頻器設(shè)備本體水冷系統(tǒng)對(duì)中高壓變頻器功率柜直接進(jìn)行冷卻，與中高壓變頻器功率柜一體化設(shè)計(jì)，能夠保證功率柜始終處于25－35℃運(yùn)行環(huán)境，大幅度延長濾網(wǎng)更換周期，減少現(xiàn)場維護(hù)量。通常情況下，設(shè)備本體水冷容量設(shè)計(jì)裕度選擇1．2－1．3倍。其散熱效果顯著，變頻器室基本無噪聲，更為安靜、清潔；但水冷系統(tǒng)比較復(fù)雜，設(shè)備投資很高，且水冷系統(tǒng)本身的可靠性會(huì)對(duì)整個(gè)變頻器系統(tǒng)造成影響。

圖2　空調(diào)密閉冷卻示意圖

圖3　空－水冷卻示意圖

4　冷卻方案選型分析

如何在風(fēng)冷和水冷兩者之間進(jìn)行選擇，各個(gè)廠家均有不同的看法，但比較統(tǒng)一的說法是看變頻器的功率和采用的開關(guān)元件。功率不大的變頻器采用風(fēng)冷就能滿足要求，在功率非常大時(shí)，需采用水冷方式。而這個(gè)功率大小的分界為多少，每個(gè)廠家的標(biāo)準(zhǔn)也不一樣。這與變頻器開關(guān)元件的選擇及整體工藝的設(shè)計(jì)都是有關(guān)系的。

水冷方式需要在散熱器中通水，利用水流帶走熱量，因?yàn)樽冾l器中的散熱器一般都有不同的電位，要做好冷卻水回路和電氣回路的絕緣，因此必須采用絕緣強(qiáng)度較好的水，一般采用去離子水，它比普通蒸餾水的離子含量還要低。因此要求冷卻水系統(tǒng)內(nèi)要增加一個(gè)水處理系統(tǒng)，加大了冷卻系統(tǒng)的復(fù)雜程度。另外，在水路的循環(huán)系統(tǒng)中，一般還要加離子樹脂交換器，將散熱器上的金屬離子不斷地溶解到水中。

從散熱的角度來說，水冷的效果是比較理想的。但是，水循環(huán)系統(tǒng)工藝要求高，安裝復(fù)雜，從長遠(yuǎn)來看維護(hù)工作量大。因?yàn)樗芗懊芊獠牧蠅勖邢?，尤其是在高溫環(huán)境中，會(huì)加速產(chǎn)品的老化程度，短期內(nèi)可能沒有任何問題，但隨著時(shí)間的增加，長時(shí)間工作后產(chǎn)品可靠性降低。一旦漏水，會(huì)對(duì)設(shè)備帶來非常大的危害甚至是致命性的破壞。有些廠家的中高壓變頻器功率不是很大的情況下仍然采用水冷方式，主要是因?yàn)檫@些廠家采用了高開關(guān)阻抗的開關(guān)器件，器件開關(guān)損耗高，風(fēng)冷方式中的散熱片無法滿足散熱要求，必須采用水冷方式。

強(qiáng)迫風(fēng)冷、空調(diào)密閉冷卻或空－水冷裝置這三種風(fēng)冷方式也各有利弊。強(qiáng)迫風(fēng)冷成本低廉，但是室內(nèi)密封性太差，容易使灰塵進(jìn)入，影響散熱，增加維護(hù)量；空調(diào)密閉冷卻維護(hù)量最小，室內(nèi)密封性好，但運(yùn)營成本較高；空－水冷裝置兼顧以上兩點(diǎn)，密封性好，成本適中。如果用戶現(xiàn)場有冷卻水，且能保證循環(huán)水的溫度低于33℃，一般推薦用戶采用空－水冷裝置。

綜合比較，中高壓變頻器四種冷卻方式對(duì)比如表1所示。

圖4　某廠商設(shè)備本體水冷系統(tǒng)示意圖

表1　中高壓變頻器四種冷卻方式對(duì)比

5　實(shí)例分析

通常，決定客戶選用何種冷卻方式的主要因素是投資回報(bào)率的問題，以下針對(duì)某工程實(shí)例，僅從經(jīng)濟(jì)性角度進(jìn)行比較。該工程水泵機(jī)組功率為3200kW，強(qiáng)迫風(fēng)冷方式已不能滿足散熱要求，而空調(diào)密閉冷卻、空－水冷卻和設(shè)備本體水冷均能滿足。為方便計(jì)算比較，此處按下列條件進(jìn)行簡化：變頻器運(yùn)行效率為96%；功率模塊和變壓器損耗均為2%；變頻器室面積60m2；空調(diào)房間制冷量按180W／m2計(jì)；空調(diào)能耗比＝制冷量：網(wǎng)側(cè)電耗＝2．5。三種冷卻方式的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析如表2所示，可以看出，設(shè)備本體水冷系統(tǒng)初期投資最大，年綜合運(yùn)行成本最?。欢照{(diào)密閉冷卻系統(tǒng)初期投資最小，但年綜合運(yùn)行成本遠(yuǎn)高于其他兩者；空－水冷冷卻系統(tǒng)介于兩者之間，整體經(jīng)濟(jì)效益較好。

表2　三種冷卻方式經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

6　結(jié)束語

本文從技術(shù)可行性、安全可靠性、經(jīng)濟(jì)性的角度對(duì)中高壓變頻器的冷卻問題進(jìn)行了綜合分析，并結(jié)合具體工程實(shí)例對(duì)比分析了三種冷卻方式的經(jīng)濟(jì)性?？眨鋮s、設(shè)備本體水冷方案需要在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮好附加設(shè)備故障、可維護(hù)維修等安全防護(hù)問題，在初始設(shè)備一次性投資上遠(yuǎn)高于強(qiáng)迫風(fēng)冷和空調(diào)密閉冷卻方案。而與空調(diào)密閉冷卻方式相比，通常系統(tǒng)運(yùn)行幾年節(jié)約的電費(fèi)可收回投資。在凈水廠等現(xiàn)場冷卻水環(huán)境較好的情況下，空－水冷、設(shè)備本體水冷系統(tǒng)可以和大功率電機(jī)共用外部冷卻水循環(huán)裝置，從而減少投資。然而，選擇何種變頻器冷卻方式，除了從以上角度進(jìn)行分析比較以外，還需要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況和客戶特殊要求靈活選擇不同的冷卻方式或其組合，以達(dá)到最優(yōu)的節(jié)能運(yùn)營效果。

參考文獻(xiàn)：

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［2］賈炳琦，董斌，蔡引兄．高壓變頻器的通風(fēng)與散熱設(shè)計(jì)［J］．電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2013，35（5）：60－62．

［3］夏俊利．高壓大功率變頻器的兩種冷卻方式比較［J］．華北電力技術(shù)，2009，8：52－54．

［4］呂澤玉，劉軍祥．凝結(jié)泵高壓變頻器幾種冷卻方式的可行性論證［J］．變頻器世界，2008，9：65－67．

作者信息：

王永鑫（1983－），男，工程師，現(xiàn)就職于上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，主要從事市政電氣工程設(shè)計(jì)和技術(shù)管理。

中圖分類號(hào)：TM433

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005—7277（2015）03—0047—05

收稿日期：2015－01－05

Comparison and selection of cooling scheme for medium－h(huán)igh voltage frequency converter

WANG Yong－xin

（Shanghai Municipal Engineering Design Institute（Group）Co．，Ltd．，Shanghai 200092，China）

Abstract：With the development of power electronic device，the medium－h(huán)igh voltage frequency converter with excellent performance is widely applied in many kinds of industries．To deal with the heat dissipation problems well or not is the key to its long－term stable operation．The sources of heat generated in the medium－h(huán)igh voltage frequency converter are analyzed，and the characteristics of different cooling schemes are compared from the aspects of technical feasibility，reliability and economy etc．Combined with the actual projects，the reasonable suggestions of medium－h(huán)igh voltage frequency converter cooling scheme selection is put forward．It can be used in the electrical engineering design when choosing from different cooling schemes of medium－h(huán)igh voltage frequency converter．

Key words：medium－h(huán)igh voltage frequency converter；cooling scheme；comparative analysis；selectionsuggestions