礦用變頻器水冷循環(huán)系統(tǒng)失效分析及改造

劉栓柱

1 問題

由于高壓大功率變頻器本體在運(yùn)行過程中有一定的熱量散失，這些熱量會(huì)使變頻器電子器件發(fā)熱，甚至超過許用溫度值，為保障變頻器具有良好的運(yùn)行環(huán)境，需要為變頻器配置一套獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)。如煤礦井下主運(yùn)輸膠帶輸送機(jī)配置的變頻器型號(hào)為ZJT1-630∕1140,負(fù)責(zé)主運(yùn)輸膠帶輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)和調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)，是重要電氣設(shè)備。變頻器功率模塊的冷卻采用自循環(huán)水冷方式進(jìn)行降溫冷卻,以水作為冷卻介質(zhì),保證變頻器連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。具體方式為:變頻器熱交換器—散熱器—增壓泵，冷卻水在循環(huán)泵的驅(qū)動(dòng)下，沿管路以恒定的流速通過功率單元熱交換器，連續(xù)不斷帶出熱量；冷卻水升溫，沿管路進(jìn)入散熱器將熱量排出；降溫后的冷卻水又回流至增壓泵，形成一個(gè)封閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)，見圖1。

圖1 變頻器水冷循環(huán)系統(tǒng)原理示意

在主運(yùn)輸膠帶輸送機(jī)運(yùn)行過程中,發(fā)現(xiàn)變頻器經(jīng)常發(fā)生死機(jī)現(xiàn)象,經(jīng)診斷為增壓泵失效后導(dǎo)致變頻器過熱,保護(hù)電路執(zhí)行保護(hù),變頻器自動(dòng)停機(jī)。統(tǒng)計(jì)此類故障占變頻器故障的90%。運(yùn)行一年共更換增壓泵24臺(tái),水泵電機(jī)4臺(tái),波紋管30條。

高壓變頻器在運(yùn)行過程中要產(chǎn)生一定的功耗，一般為其容量的3%～5%，這些功耗都變成熱量，成為影響高壓變頻器可靠性的重要因素之一。大功率變頻器工作時(shí)所產(chǎn)生的熱量，將導(dǎo)致器件溫度升高，如果沒有適宜的散熱措施及時(shí)將熱量帶走，就可能導(dǎo)致器件溫度超過器件所允許的最高溫度，從而導(dǎo)致器件性能的惡化甚至損壞[1～3]。如何把這些熱量順利的從變頻器中交換出來(lái)，是變頻器設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。

2 途徑

通過提高水泵耐磨性、輸水管路的可靠性、冷卻介質(zhì)的穩(wěn)定性三方面進(jìn)行改造。

（1）對(duì)增壓泵進(jìn)行更換。經(jīng)過大量報(bào)廢增壓泵拆檢發(fā)現(xiàn)，泵體有集中區(qū)域的點(diǎn)蝕現(xiàn)象，點(diǎn)蝕現(xiàn)象會(huì)造成增壓泵的性能下降，嚴(yán)重的還會(huì)使增壓泵失去增壓功能。為什么會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)蝕呢？這是因?yàn)樵鰤罕貌捎娩X制泵體,鋁制泵體在高溫水工況下易發(fā)生化學(xué)反應(yīng),泵體內(nèi)表面易產(chǎn)生點(diǎn)蝕，在高壓區(qū)泄漏，使泵的性能下降；鋁制泵體耐磨性低,液體中的雜質(zhì)進(jìn)一步加大了泵體的磨損，導(dǎo)致增壓泵失效或損壞。依據(jù)變頻器散熱量、增壓泵、管路、水箱等相關(guān)參數(shù)（見表1），選配了市場(chǎng)通用的并且與原泵流量和壓力相近的BX150銅制泵體增壓泵進(jìn)行更換改造。其選配技術(shù)原理是，減少高溫水對(duì)泵體的化學(xué)反應(yīng)，提高增壓泵泵體材料的耐腐蝕性和耐磨性能。

（2）對(duì)原6分輸水波紋管進(jìn)行更換為6分鋁塑管。因鋁塑管管壁光滑,輸水時(shí)減少了液體阻力,而且連接可靠,管路不易損壞,并在增壓泵兩側(cè)增設(shè)球形閥,見圖1中4，2個(gè)DN20截止閥，避免了更換增壓泵時(shí)冷卻液的不必要浪費(fèi)。

（3）對(duì)冷卻介質(zhì)進(jìn)行更換,將原先使用純凈水更換為汽車?yán)鋮s防凍液。

標(biāo)準(zhǔn)水沸點(diǎn)為100℃，水加熱后易產(chǎn)生水垢,在使用中水垢會(huì)加速磨損水泵密封件,而且在過熱情況下會(huì)產(chǎn)生氣化現(xiàn)象,喪失冷卻性能。

汽車?yán)鋮s防凍液由水、防凍劑、添加劑三部分組成,按防凍劑成分不同可分為酒精型、甘油型、乙二醇型等類型的冷卻液。

常用的乙二醇型冷卻液是用乙二醇作防凍劑,并添加少量抗泡沫、防腐蝕等綜合添加劑配制而成。由于乙二醇易溶于水,可以任意配成各種冰點(diǎn)的冷卻液,其最低冰點(diǎn)可達(dá)-68℃,沸點(diǎn)110℃,這種冷卻液具有沸點(diǎn)高、泡沫傾向低、粘溫性能好、防腐和防垢等特點(diǎn),是一種較為理想的冷卻液。

選用當(dāng)?shù)赝ㄓ靡叶夹头纼鲆杭尤肜鋮s系統(tǒng)中，冷卻液與水的比例為40:60時(shí)，冷卻液沸點(diǎn)為106℃，冰點(diǎn)為-26℃，適用于液冷式發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)，防凍液具有冬天防凍，夏天防沸，全年防水垢，防腐蝕等優(yōu)良性能。將此冷卻液加入變頻器冷卻系統(tǒng)中，對(duì)冷卻系統(tǒng)所有部件，冷卻水箱、輸水管路、增壓泵以及流量計(jì)運(yùn)行系統(tǒng)中，即可提高冷卻性能，又可提高可靠性和延長(zhǎng)壽命。

以上選擇配置時(shí)充分考慮到投資成本和使用效果的關(guān)系，以合理保障生產(chǎn)為主的原則，又方便實(shí)施。

表1 變頻器水冷循環(huán)系統(tǒng)主要參數(shù)

3 效果

原4臺(tái)變頻器共配置8臺(tái)鋁制增壓泵,平均每月?lián)p壞需更換2臺(tái)增壓泵,每月由于水質(zhì)變差、水色發(fā)紅、水垢增多,每月更換冷卻水1次,觀察水表、輸水波紋管每年更換一次。

經(jīng)過4臺(tái)變頻器改造后運(yùn)行一年,共更換過1臺(tái)銅制增壓泵,其余元件狀態(tài)良好,壽命延長(zhǎng)8倍。冷卻液無(wú)異常，根據(jù)經(jīng)驗(yàn),冷卻液可以使用2年。由于無(wú)水垢輸水管路及水表均沒有出現(xiàn)故障，沒有再進(jìn)行更換，節(jié)省了人力、物力。由此計(jì)算每年至少可節(jié)約增壓泵16臺(tái),水泵電機(jī)2臺(tái),波紋管20根,節(jié)約材料12000元。主運(yùn)膠帶輸送機(jī)開機(jī)率明顯提升,故障停機(jī)時(shí)間大量減少,有效保障了礦井安全生產(chǎn)。經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益更大。變頻器冷卻系統(tǒng)改造效果對(duì)比及分析見表2。

表2 變頻器冷卻系統(tǒng)改造效果對(duì)比及分析

4 結(jié)語(yǔ)

變頻器過熱停機(jī)，究其原因是冷卻水循環(huán)系統(tǒng)出現(xiàn)了問題，改用不同材質(zhì)的泵體、不同材質(zhì)的管線、不同的循環(huán)介質(zhì)形成的系統(tǒng)，經(jīng)運(yùn)行消除了原來(lái)的故障，本方法可在解決同類型問題中借鑒。