高速磁浮列車變頻器冷卻系統(tǒng)原理及參數(shù)分析

張前鋒

(上海磁浮交通發(fā)展有限公司，201204，上海//工程師)

高速磁浮列車牽引(驅(qū)動(dòng))技術(shù)原理是基于交流同步直線電機(jī)技術(shù)，變頻器是其主要調(diào)速設(shè)備。高速磁浮列車的變頻器在列車運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生巨大熱量，因此變頻器需要穩(wěn)定、高效的冷卻系統(tǒng)來保障其正常工作。本文主要介紹上海高速磁浮列車變頻器冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，并對(duì)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究和分析。

高速磁浮列車變頻器冷卻系統(tǒng)采用的冷卻方式是水冷。每臺(tái)冷卻機(jī)組通過兩套獨(dú)立的水路循環(huán)，將變頻器工作時(shí)產(chǎn)生的巨大熱量帶到室外進(jìn)行降溫處理。高速磁浮列車共有高功率變頻器12套、中功率變頻器2套，14套變頻器都使用了該冷卻系統(tǒng)。

1 高速磁浮列車變頻器冷卻系統(tǒng)概述

高速磁浮列車變頻器冷卻系統(tǒng)有兩套獨(dú)立的水循環(huán)系統(tǒng)，分別為一次水循環(huán)和二次水循環(huán)。一次水使用高純度水，用于變頻器內(nèi)部元器件冷卻，一次水循環(huán)裝置將變頻器工作時(shí)產(chǎn)生的熱量帶出；二次水使用防凍水，通過熱交換器將一次水的熱量交換過來，并帶到室外通過壓縮機(jī)制冷機(jī)組進(jìn)行降溫。

一次水循環(huán)使用的冷卻水要求純度很高，電導(dǎo)率低于0.5 μs/cm，水中雜質(zhì)顆粒小于50 μm；二次水循環(huán)使用的冷卻水要求零下20℃不結(jié)冰。另外，變頻器冷卻系統(tǒng)必須采集的實(shí)時(shí)信號(hào)由傳感器送入變頻器冷卻水控制子系統(tǒng)，由其控制冷卻系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行。其核心設(shè)備是SIMATIC S7控制器，屬于變頻器控制系統(tǒng)的子系統(tǒng)之一。單套冷卻系統(tǒng)的制冷容量為131 kW。

2 高速磁浮列車變頻器冷卻系統(tǒng)配置

高速磁浮列車變頻器冷卻系統(tǒng)主要配置設(shè)備有：一次二次回路及水泵、一次二次水箱、控制柜、熱交換器、戶外壓縮機(jī)制冷機(jī)組、去離子裝置、三位置閥、水溫水壓傳感器等。

變頻器冷卻系統(tǒng)的主要相關(guān)設(shè)備分布：變頻器、一次水箱位于設(shè)備樓一層；一/二次循環(huán)水泵、熱交換器、去離子裝置、二次水箱等位于設(shè)備樓地下室；二次水循環(huán)的制冷壓縮機(jī)組位于變頻器設(shè)備樓屋頂。主要設(shè)備分布在上、中、下三層結(jié)構(gòu)中。

3 高速磁浮列車變頻器冷卻系統(tǒng)運(yùn)行原理

高速磁浮列車牽引變頻器冷卻系統(tǒng)檢測及控制原理圖如圖1所示。

圖1 牽引變頻器冷卻系統(tǒng)檢測及控制原理圖

3.1 一次水循環(huán)系統(tǒng)

如圖1左側(cè)部分所示，一次水循環(huán)回路通過水泵驅(qū)動(dòng)，經(jīng)熱交換器降溫后，分別流經(jīng)變頻器的整流柜，制動(dòng)斬波柜，以及U、V、W三相逆變柜，然后回到一次水箱，再次進(jìn)入循環(huán)；循環(huán)其間若檢測到一次水電導(dǎo)率高，則流經(jīng)去離子裝置的閥門打開，對(duì)一次水進(jìn)行去離子。

對(duì)一次水去離子的原因：一次水進(jìn)入變頻器柜后經(jīng)毛細(xì)管路直接通過變頻器GTO(門極可關(guān)斷晶閘管)模塊等的內(nèi)部散熱器如圖2所示。這些金屬散熱器內(nèi)層沒有絕緣層，功率器件通過這些散熱器和一次冷卻水聯(lián)系在一起，這就意味著冷卻水的絕緣性能決定了這些功率器件之間的絕緣性能，所以變頻器對(duì)于內(nèi)循環(huán)的冷卻水的純度要求極高，冷卻水電導(dǎo)率要求低于0.5 μs/cm，水中雜質(zhì)顆粒小于50 μm。

圖2 變頻器內(nèi)部冷卻系統(tǒng)毛細(xì)管路

3.2 二次水循環(huán)系統(tǒng)

如圖1右側(cè)部分所示，二次循環(huán)水通過水泵驅(qū)動(dòng)，進(jìn)入室外的空調(diào)壓縮機(jī)制冷機(jī)組；二次循環(huán)水在蒸發(fā)器中和壓縮機(jī)中的低壓、低溫氣液混合制冷劑進(jìn)行熱交換，二次水溫得到降低。制冷劑吸熱變?yōu)榈蛪簹怏w，經(jīng)過壓縮機(jī)絕熱壓縮變成高溫高壓氣態(tài)，送入冷凝器向環(huán)境放熱后冷凝為高壓液體，再經(jīng)過膨脹閥節(jié)流后進(jìn)入蒸發(fā)器，如此循環(huán)往復(fù)。

壓縮機(jī)組不僅能夠提高冷卻效率，使得二次循環(huán)水溫快速降低，而且能夠準(zhǔn)確控制二次水溫。根據(jù)一次水溫度的高低，二次水通過三位置閥(三通)控制進(jìn)入熱交換器水量，來控制一次水的溫度。一次循環(huán)的水壓須大于二次循環(huán)水壓，避免熱交換器有漏點(diǎn)時(shí)，二次水通過漏點(diǎn)污染一次水。

4 高速磁浮列車?yán)鋮s系統(tǒng)主要參數(shù)分析

變頻器冷卻系統(tǒng)的控制部分是通過分布在管路和現(xiàn)場的傳感器采集信號(hào)，由處理器對(duì)比各環(huán)節(jié)參數(shù)配置后，對(duì)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制命令，使冷卻系統(tǒng)一、二次水各參數(shù)在運(yùn)行過程中符合要求，并最終達(dá)到為變頻器發(fā)熱元件進(jìn)行冷卻的目標(biāo)。

4.1 變頻器冷卻系統(tǒng)溫度控制范圍

一次水溫要高于變頻器的環(huán)境溫度2 ℃以上，以防止因設(shè)備結(jié)露而降低絕緣性能。若一次水溫度低于環(huán)境溫度，則單獨(dú)啟動(dòng)一個(gè)或兩個(gè)一次水泵，通過水循環(huán)與管道壁的摩擦使得水溫升高。

一次水溫度高于38 ℃時(shí)，冷卻系統(tǒng)報(bào)警，高于40 ℃時(shí)，變頻器停止工作。

二次水溫度控制低于一次水溫。若二次水溫度升高，則啟動(dòng)壓縮機(jī)制冷機(jī)組，對(duì)二次水進(jìn)行降溫。

二次水溫度高于30 ℃時(shí)，冷卻系統(tǒng)報(bào)警，報(bào)警后給一次水降溫的效率下降，直到一次水溫高于40 ℃后變頻器保護(hù)關(guān)斷。

二次水溫控制主要通過控制屋頂冷卻裝置的投入功率，對(duì)降溫效率進(jìn)行控制，如表1所示。

表1 二次水溫與壓縮機(jī)投入功率控制表

4.2 變頻器冷卻系統(tǒng)一次水電導(dǎo)率控制

變頻器運(yùn)行時(shí)一次水電導(dǎo)率控制在0.4～0.5 μs/cm之間，變頻器停止運(yùn)行時(shí)一次水電導(dǎo)率控制在≥0.6 μs/cm。通過閥門控制一次水，通過去離子裝置時(shí)長來控制一次水電導(dǎo)率。

如果去離子裝置的閥門打開連續(xù)工作10 h后仍未關(guān)閉，去離子裝置自檢系統(tǒng)會(huì)報(bào)警，提示去離子樹脂失效，需更換去離子樹脂。

兩個(gè)傳感器檢測值差異即電導(dǎo)率檢測差值大于0.09 μs/cm，系統(tǒng)會(huì)報(bào)警，認(rèn)為傳感器精度有誤，需校準(zhǔn)或更換，以此方式保證電導(dǎo)率檢測精度。

4.3 變頻器冷卻系統(tǒng)流量監(jiān)測

一、二次水循環(huán)管路中存有空氣或壓力低等原因?qū)е碌牧髁康?，?bào)警超過設(shè)定時(shí)長，控制系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警：冷卻系統(tǒng)整體故障，變頻器保護(hù)關(guān)斷。

4.3.1 水位監(jiān)測

1) 一次水箱液位監(jiān)測。當(dāng)水箱水位低于最低水位時(shí)，冷卻系統(tǒng)停止工作；當(dāng)水箱水位低于正常水位時(shí)需要補(bǔ)水；當(dāng)水箱水位超出最高水位：水會(huì)溢出。

2) 二次水箱液位監(jiān)測。當(dāng)水箱水位低于最低水位時(shí)，冷卻系統(tǒng)停止工作，意味著二次水漏水；當(dāng)水箱水位低于正常水位時(shí)，需要補(bǔ)水；當(dāng)水箱水位高于最高水位時(shí)；表示一次水泄露進(jìn)入二次水循環(huán)。

4.3.2 水壓監(jiān)測

一次水水壓大于二次水水壓，一次水壓力約為0.55 MPa，二次水壓力約為0.26 MPa；若熱交換器有泄露時(shí)，可以避免一次水被污染。

另外，壓縮機(jī)的自檢及保護(hù)、傳感器的自檢、水泵控制系統(tǒng)的自檢及保護(hù)、供電電源的監(jiān)測及保護(hù)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中也均有考慮。

5 變頻器冷卻系統(tǒng)功能

冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要有以下功能。

5.1 二次冷卻及冗余功能

2套獨(dú)立的水循環(huán)系統(tǒng)能提高整個(gè)冷卻系統(tǒng)效率和精度。冷卻系統(tǒng)配置考慮到一定的冗余功能，如果部分關(guān)鍵設(shè)備或易損設(shè)備故障，不會(huì)導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)停機(jī)。冷卻系統(tǒng)設(shè)備配置如表2所示。

5.2 接口信號(hào)

變頻器啟動(dòng)前只須檢測冷卻系統(tǒng)工作狀態(tài)；變頻器運(yùn)行過程中，若冷卻系統(tǒng)整體故障、電導(dǎo)率和一次水溫超限則變頻器直接保護(hù)關(guān)斷。其它冷卻系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)由冷卻系統(tǒng)控制柜自動(dòng)控制。

5.3 冷卻系統(tǒng)開始工作條件及模式

變頻器準(zhǔn)備模式開啟后即開始工作。冷卻系統(tǒng)不具備條件則變頻器不能啟動(dòng)或保護(hù)關(guān)斷。冷卻系統(tǒng)工作模式為：

表2 冷卻系統(tǒng)關(guān)鍵運(yùn)行設(shè)備或易故障設(shè)備配置表

1) 聯(lián)機(jī)模式：變頻器運(yùn)行時(shí)模式，冷卻系統(tǒng)不可操作。

2) 獨(dú)立模式：單獨(dú)調(diào)試及試運(yùn)行冷卻系統(tǒng)。

3) 單機(jī)模式：單個(gè)設(shè)備運(yùn)行或維護(hù)更換備件。

5.4 人機(jī)界面監(jiān)控功能

通過WinCC(視窗控制中心)冷卻系統(tǒng)監(jiān)控界面，冷卻系統(tǒng)工作狀態(tài)、溫度、壓力、流量、電導(dǎo)率、水箱水位等參數(shù)情況均一目了然，并能對(duì)冷卻系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。

從變頻器冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)策略和現(xiàn)場應(yīng)用來看：該系統(tǒng)冗余科學(xué)，系統(tǒng)在關(guān)鍵或易損壞設(shè)備故障時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)直接停止工作，維護(hù)人員可在列車停止運(yùn)行后進(jìn)行維護(hù)，冗余功能能夠保障冷卻系統(tǒng)的長期安全穩(wěn)定運(yùn)行；變頻器冷卻系統(tǒng)接口簡潔，冷卻系統(tǒng)與變頻器相互較為獨(dú)立，接口信號(hào)較少，對(duì)接方便，便于大型自動(dòng)化項(xiàng)目系統(tǒng)集成；采用二次冷卻，能提高整個(gè)冷卻系統(tǒng)效率和精度；監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)全面，運(yùn)行人員能實(shí)時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行狀況和各項(xiàng)參數(shù)，為故障排除和系統(tǒng)維護(hù)提供參考依據(jù)；采用多種運(yùn)行模式，便于聯(lián)機(jī)、調(diào)試、隔離、維護(hù)等工作操作?？傊?，該變頻器冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)科學(xué)，功能完備。

6 結(jié)論

從上海高速磁浮列車的運(yùn)行來看，該冷卻系統(tǒng)能滿足帶走磁浮列車在高速運(yùn)行中變頻器所產(chǎn)生的熱量的需求，并能實(shí)現(xiàn)自身高效閉環(huán)調(diào)溫、調(diào)壓、調(diào)電導(dǎo)率等功能，保障磁浮列車的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

通過長期運(yùn)行和維護(hù)，在工作中發(fā)現(xiàn)，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仍有以下幾點(diǎn)可以進(jìn)一步改進(jìn):

1) 靜電干擾。由于冷卻系統(tǒng)和變頻器各子系統(tǒng)間的光纖通信采用的是外置式的光電轉(zhuǎn)換模塊，

且控制柜布線較為緊湊，強(qiáng)電和弱電電纜間隔較近，光電轉(zhuǎn)換模塊工作在其間易受到干擾。在今后的設(shè)計(jì)中，建議將光電轉(zhuǎn)換過程放在系統(tǒng)硬件內(nèi)部完成，可以提高數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性和抗干擾性。

2) 某些維護(hù)設(shè)備位置或選材不合理。一/二次水箱加水和放水龍頭的位置設(shè)置不合理，且無鎖閉裝置。加、放水維護(hù)操作空間小，容易誤動(dòng)作。

3) 壓縮機(jī)冷卻裝置的管道連接，彎角處未采用柔性連接，壓縮機(jī)工作震動(dòng)易引起管道破裂。