水冷系統(tǒng)在大功率礦用隔爆兼本安型高壓變頻器中的應(yīng)用

王 燕

（大同煤礦集團(tuán)機(jī)電裝備制造有限公司，山西 大同 037003）

0 前言

影響高壓變頻器可靠性的多種因素中，散熱是至關(guān)重要的，大功率半導(dǎo)體器件與移相變壓器工作時(shí)所產(chǎn)生的熱量，將導(dǎo)致器件溫度升高，如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)纳岽胧┘皶r(shí)將熱量帶走，就可能導(dǎo)致器件溫度超過(guò)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。所以在變頻器設(shè)計(jì)中，選擇適當(dāng)?shù)纳岱绞?，能有效延長(zhǎng)器件使用壽命，也是提高變頻器可靠性不可缺少的重要環(huán)節(jié)之一。

高壓變頻器現(xiàn)有的散熱方式主要以自然冷卻、強(qiáng)迫風(fēng)冷、水冷三種方式為主。國(guó)內(nèi)高壓變頻器的散熱方式以強(qiáng)迫風(fēng)冷為主流。隨著國(guó)內(nèi)變頻器技術(shù)持續(xù)發(fā)展，變頻器容量不斷提高，強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱受散熱器面積、環(huán)境溫度、變頻器使用環(huán)境、風(fēng)機(jī)體積與噪音等多方面原因影響，已不能完全滿足大功率變頻器的散熱要求。本文重點(diǎn)介紹水冷系統(tǒng)在大功率礦用隔爆兼本安型高壓變頻器中的應(yīng)用，通過(guò)實(shí)際比較，水冷散熱方式是目前解決大功率變頻器散熱問(wèn)題最好的方式。

1 水冷系統(tǒng)主要功能板塊和設(shè)計(jì)原理

礦用隔爆兼本安型高壓變頻器水冷系統(tǒng)由主循環(huán)子系統(tǒng)、去離子水子系統(tǒng)、水水散熱子系統(tǒng)（選項(xiàng)）、水風(fēng)散熱子系統(tǒng)（選項(xiàng)）及補(bǔ)水子系統(tǒng)五個(gè)功能塊組成。

1）主循環(huán)子系統(tǒng)提供去離子水側(cè)循環(huán)運(yùn)行的動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)對(duì)去離子水側(cè)運(yùn)行的壓力、溫度、流量及電導(dǎo)率的實(shí)時(shí)測(cè)量。

2）去離子水子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)去除水中溶解的電解質(zhì)離子，保證冷卻系統(tǒng)去離子水側(cè)電導(dǎo)率符合變頻裝置運(yùn)行要求。

3）水水散熱子系統(tǒng)，將去離子水側(cè)熱量持續(xù)穩(wěn)定散熱到外水中，如采用水水散熱子系統(tǒng)作為二次散熱方式，外水流量需滿足≥7.3m3/h,供水壓力范圍4～6bar。

4）水風(fēng)散熱子系統(tǒng)（環(huán)境溫度≤30℃時(shí)選用此系統(tǒng)），將去離子水側(cè)熱量持續(xù)穩(wěn)定散熱到空氣中。補(bǔ)水子系統(tǒng)采用自動(dòng)提醒操作員手動(dòng)操作，向冷卻系統(tǒng)去離子水側(cè)加注一定容量的補(bǔ)充水。

水冷冷卻系統(tǒng)依靠去離子水和外部的水冷系統(tǒng)帶走變頻器的熱量。外部水冷設(shè)備通過(guò)法蘭連接到變頻器的進(jìn)水管和出水管。功率模塊采用直接水冷，其柜內(nèi)器件采用間接水冷?？刂乒裣虏垦b有一個(gè)風(fēng)扇和一個(gè)空水交換器（如圖1）所示。變頻器內(nèi)的空氣在變壓器，功率單元，濾波器，控制柜以及空水交換器之間循環(huán)流通，其熱量通過(guò)空水交換器傳遞到去離子水中，再通過(guò)水循環(huán)帶出柜外，通過(guò)監(jiān)控水冷系統(tǒng)的流量、溫度和壓力來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)。

圖1 冷卻風(fēng)扇及空水交換器

變頻器芯體的水冷進(jìn)出管路均采用DN32標(biāo)準(zhǔn)焊接法蘭，而散熱器循環(huán)水進(jìn)出管路需作隔爆面，所以采用DN32標(biāo)準(zhǔn)焊接法蘭加長(zhǎng)官的方式處理，在隔爆殼體的右側(cè)壁上使用法蘭螺栓安裝水路連接器進(jìn)行連接（如圖2）。冷卻系統(tǒng)的使用以及運(yùn)輸、儲(chǔ)存都有特定的環(huán)境條件，表1，表2給出了相關(guān)的環(huán)境要求。

圖2 水冷管路連接

表1 冷卻系統(tǒng)使用環(huán)境條件

表2 冷卻系統(tǒng)運(yùn)輸及儲(chǔ)存環(huán)境條件

1.1 主循環(huán)子系統(tǒng)

1）主循環(huán)泵：提供去離子水側(cè)循環(huán)運(yùn)行所需動(dòng)力，為高速離心葉片泵，泵體采用機(jī)械密封，接液材質(zhì)為不銹鋼，一用一備，水泵符合礦用標(biāo)準(zhǔn)。

2）機(jī)械過(guò)濾器：為防止去離子水側(cè)在快速流動(dòng)中可能沖刷脫落的剛性顆粒。

3）膨脹罐：膨脹罐采用氣囊式空氣密封，罐體采用碳鋼噴漆防腐，用于維持主循環(huán)子系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。膨脹罐有效容積35L，預(yù)充壓力1.0bar，注水壓力1.8bar。

4）安全閥：在變頻裝置入口處設(shè)置安全閥，用于超壓保護(hù)，啟座壓力設(shè)定為8.5bar，可調(diào)。

1.2 去離子水子系統(tǒng)

去離子系統(tǒng)并聯(lián)于主循環(huán)子系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)去離子水中離子的不斷脫除，達(dá)到長(zhǎng)期維持極低電導(dǎo)率的目的。

1）離子交換樹脂：選用非再生樹脂IRN160作為原料進(jìn)行特殊配比，操作溫度：≤60℃。

2）精密過(guò)濾器：去離子系統(tǒng)出口設(shè)置精密過(guò)濾器，攔截可能破碎的樹脂顆粒。濾芯可更換，精密過(guò)濾器精度10μm。

3）去離子罐：去離子罐罐體采用316材質(zhì)，有效容積27L。

1.3 水水散熱子系統(tǒng)

1）板式換熱器：板式換熱器，散熱容量85kW，密封材質(zhì)EPDM，板片材質(zhì)304不銹鋼，污垢系數(shù)不大于0.021×10-4m2*K/W，框架材質(zhì)碳鋼噴漆，拉桿材質(zhì)碳鋼鍍鋅。外水水質(zhì)需符合工業(yè)循環(huán)冷卻水標(biāo)準(zhǔn)GB50050-2007。

2）外水監(jiān)測(cè)在外水入口設(shè)置二級(jí)過(guò)濾，一級(jí)精度1000μm，二級(jí)精度500μm，并設(shè)置壓力測(cè)量和溫度測(cè)量。

1.4 水風(fēng)散熱子系統(tǒng)

在最高環(huán)境溫度30℃下，額定容量85kW。水空散熱器系統(tǒng)作為一種二次冷卻選項(xiàng)。

1.5 補(bǔ)水子系統(tǒng)

補(bǔ)水子系統(tǒng)，采用移動(dòng)式獨(dú)立設(shè)計(jì)。在去離子水側(cè)通過(guò)檢測(cè)主循環(huán)泵入口壓力值自動(dòng)提醒操作員向冷卻系統(tǒng)去離子水側(cè)加注補(bǔ)充水。

1.6 管路及冷卻介質(zhì)

所有的不銹鋼設(shè)備、管道焊接采用氬弧焊工藝，并經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的酸洗、試壓、清洗過(guò)程。所有碳鋼材質(zhì)設(shè)備采用熱浸鋅，噴漆等表面防腐處理。密封材料為EPDM，法蘭采用304不銹鋼材質(zhì)，緊固件材質(zhì)采用碳鋼熱浸鋅防腐處理。

去離子水側(cè)在高電壓條件下工作，為避免去離子水中存在雜質(zhì)離子，導(dǎo)致各元件之間形成漏電流，要求去離子水電導(dǎo)率值＜0.4μS/cm。

1.7 控制保護(hù)及監(jiān)測(cè)

為保證冷卻系統(tǒng)正常平穩(wěn)運(yùn)行，必須對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行必要的控制保護(hù)。

1）動(dòng)力電源：冷卻系統(tǒng)動(dòng)力電源要求：三相380VAC（-15%/+10%），50Hz（±5%），現(xiàn)場(chǎng)須提供可靠接地。

2）對(duì)電機(jī)設(shè)備保護(hù)：所有水泵及風(fēng)機(jī)電機(jī)，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)顯示，顯示當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，提供對(duì)泵及風(fēng)機(jī)電機(jī)的短路、過(guò)載保護(hù)及漏電閉鎖保護(hù)，顯示故障狀態(tài)信息。

3）冷卻系統(tǒng)需能進(jìn)行手動(dòng)操作與自動(dòng)運(yùn)行切換，便于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試或維護(hù)。手動(dòng)操作時(shí)操作員可以通過(guò)人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)手動(dòng)啟停所有電機(jī)（除連鎖外），人機(jī)界面可實(shí)時(shí)顯示運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)見表3。

表3 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

2 控制邏輯關(guān)系

運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)：1#風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)；2#風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)；1#水泵運(yùn)行狀態(tài)；2#水泵運(yùn)行狀態(tài)；補(bǔ)水泵運(yùn)行狀態(tài)。

冷卻系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)后，當(dāng)水溫上升到35℃時(shí)開啟1#風(fēng)機(jī)，水溫上升到40℃時(shí)開啟2#風(fēng)機(jī)；當(dāng)水溫降低到37℃時(shí)停運(yùn)1#風(fēng)機(jī)，水溫降到32℃時(shí)停運(yùn)2#風(fēng)機(jī)；兩臺(tái)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)間隔不小于三分鐘；（其中溫度參數(shù)暫定）。風(fēng)機(jī)采用先啟先停順序，若一臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行，并累計(jì)運(yùn)行168小時(shí)后，在下一次變頻裝置啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)切換到另一臺(tái)運(yùn)行。

2.1 主循環(huán)子系統(tǒng)控制邏輯

主循環(huán)泵采用一用一備，互為備用；兩泵設(shè)置采用電氣互鎖+軟件互鎖，不能同時(shí)運(yùn)行；自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到主循環(huán)水流量低至報(bào)警值時(shí)，切換至備用泵運(yùn)行；自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到工作主循環(huán)泵故障時(shí)，切換至備用泵運(yùn)行；單臺(tái)主循環(huán)泵累計(jì)運(yùn)行168小時(shí)后，在下一次變頻裝置啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)切換至備用泵運(yùn)行；變頻裝置短期退出運(yùn)行時(shí)，冷卻系統(tǒng)如保持運(yùn)行，需保持其處在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 水風(fēng)散熱子系統(tǒng)控制邏輯

冷卻系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)后，當(dāng)水溫上到35℃時(shí)開啟1#風(fēng)機(jī)，水溫上升到40℃時(shí)開啟2#風(fēng)機(jī)；當(dāng)水溫降低到37℃時(shí)停運(yùn)1#風(fēng)機(jī)，水溫降到32℃時(shí)停運(yùn)2#風(fēng)機(jī)；兩臺(tái)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)間隔不小于三分鐘；風(fēng)機(jī)采取先啟先停順序，若一臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行，并累計(jì)運(yùn)行168小時(shí)后，在下一次變頻裝置啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)切換到另一臺(tái)運(yùn)行；風(fēng)機(jī)設(shè)置故障保護(hù)，任何一臺(tái)風(fēng)機(jī)電機(jī)故障，控制系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)；若一臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行，發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)切換到另一臺(tái)風(fēng)機(jī)。

圖3 冷卻系統(tǒng)本體實(shí)物

圖4 水空散熱器本體實(shí)物

4 結(jié)語(yǔ)

水冷冷卻系統(tǒng)為大功率礦用隔爆兼本安型隔爆變頻器的應(yīng)用提供了先進(jìn)性和可靠性。采用水冷冷卻方式具有良好的綜合性價(jià)比的優(yōu)勢(shì)，更適用于大功率高壓變頻器的運(yùn)行，可節(jié)約大量的運(yùn)行費(fèi)用，更能提高變頻器運(yùn)行的可靠性，水冷系統(tǒng)有助于使變頻器變得非常緊湊和安靜。水冷使得不再需要在電氣房安裝大功率空調(diào)，并且它的熱傳導(dǎo)非常高效。