摘要：散熱問題是困擾大功率高壓變頻器安全運(yùn)行的重要部分，本文主要介紹合康HIVERT系列水冷高壓變頻器散熱的優(yōu)越性及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：大功率高壓變頻器水冷

一、引言

隨著高壓變頻器在各個(gè)行業(yè)的廣泛應(yīng)用，關(guān)于高壓變頻器在應(yīng)用中帶來的系統(tǒng)安全，設(shè)備穩(wěn)定性的應(yīng)用問題也越來越多的受到關(guān)注，除了解決好高壓變頻器的系統(tǒng)穩(wěn)定性，還要解決好變頻器本體的散熱問題，這是保障變頻器安全運(yùn)行的重要部分。目前國(guó)內(nèi)高壓變頻器還是以風(fēng)冷為主要散熱方式。隨著變頻器功率的增大，風(fēng)冷已經(jīng)滿足不了變頻器自身散熱的要求，而解決大功率變頻器散熱的問題，無疑水冷是最好散熱方式。目前只有少數(shù)廠商在大功率水冷型高壓變頻器有應(yīng)用業(yè)績(jī)，合康7400kW水冷變頻器在河北省遷安市鑫達(dá)鋼廠的成功應(yīng)用，標(biāo)志著合康在大功率水冷型高壓變頻器上取得了新的突破，提高公司在行業(yè)內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。

二、水冷與風(fēng)冷的散熱方式對(duì)比

高壓變頻器安裝對(duì)環(huán)境溫度的要求為-5℃～45℃。大量研究表明，高壓變頻器的故障率隨溫度升高而上升，使用壽命隨溫度升高而下降，環(huán)境溫度升高10℃，高壓變頻器使用壽命將減半。高壓變頻器內(nèi)部使用了相當(dāng)多的高精度的電子元器件，在影響電力電子裝置可靠性的多種因素中，散熱是至關(guān)重要的一項(xiàng)。大功率半導(dǎo)體器件工作時(shí)所產(chǎn)生的熱量，將導(dǎo)致芯片溫度的升高，如果沒有適當(dāng)?shù)纳岽胧?，就可能使芯片溫度超過最高允許溫度值，從而導(dǎo)致器件性能的惡化以致?lián)p壞。所以在電路設(shè)計(jì)中，選擇適當(dāng)?shù)纳岱绞?，并進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，是使器件的潛力得到充分發(fā)揮，提高電路可靠性不可缺少的重要環(huán)節(jié)之一。

三、風(fēng)冷的冷卻方式

變頻器室內(nèi)的冷熱風(fēng)循環(huán)示意圖如圖1所示。

圖1變頻器室內(nèi)的冷熱風(fēng)循環(huán)示意圖

變頻器從柜體的正面吸入空氣，經(jīng)過柜頂風(fēng)機(jī)將變頻器內(nèi)部的熱量帶走排出到室內(nèi)，從而在變頻器上面形成一個(gè)溫度偏高、壓力偏高的氣旋渦流區(qū)域，在變頻器的正面部分形成一個(gè)偏負(fù)壓區(qū)域，在運(yùn)行中，變頻器功率柜上部區(qū)域?qū)嶋H上是吸入剛排出的熱風(fēng)進(jìn)行冷卻，形成氣流短路，風(fēng)不能達(dá)到有效的冷卻效果。風(fēng)冷的冷卻系統(tǒng)主要包括散熱片和冷卻風(fēng)扇。其中冷卻風(fēng)扇壽命較短，壽命受限于軸承，臨近使用壽命時(shí)，風(fēng)扇產(chǎn)生震動(dòng)，噪聲增大最后停轉(zhuǎn)，變頻器出現(xiàn)單元過熱跳閘。

四、風(fēng)冷+空調(diào)的冷卻方式

使用空調(diào)可以將室內(nèi)溫度降到理想的環(huán)境溫度，空調(diào)通常采用的是下進(jìn)上出風(fēng)結(jié)構(gòu)，這樣與變頻器側(cè)進(jìn)上出風(fēng)在一定程度上形成了“搶風(fēng)”的現(xiàn)象，變頻器吸入的空氣不完全是空調(diào)降溫后的冷空氣，空調(diào)的降溫處理沒有把變頻器排出的熱空氣全部降溫，導(dǎo)致了整個(gè)冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行效率低下，能耗水平高。變頻器自身就是節(jié)能設(shè)備，采用空調(diào)冷卻造成能源的二次浪費(fèi)，這種情況在超大功率的高壓變頻器應(yīng)用系統(tǒng)中更加明顯。超大功率高壓變頻器采用空調(diào)冷卻系統(tǒng)投資和運(yùn)行費(fèi)用非常昂貴，空調(diào)設(shè)備的可靠性和運(yùn)行安全系數(shù)也直接影響變頻器的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。

五、空-水冷的冷卻方式

空水冷的冷卻方式示意圖如圖2所示

圖2變頻器空-水冷循環(huán)示意圖

將變頻器的熱風(fēng)通過風(fēng)道直接經(jīng)過空-冷裝置進(jìn)行熱交換，由交換器內(nèi)部的冷卻水管道與熱空氣進(jìn)行非介質(zhì)接觸式交換，直接將變頻器散失的熱量帶走,避免變頻器對(duì)室內(nèi)環(huán)境形成加熱作用?？绽溲b置的供冷水溫度不大于33℃時(shí)，即可保證熱風(fēng)經(jīng)過熱交換器后，將變頻器室內(nèi)的環(huán)境溫度控制在不高于40℃。

在空-水冷卻系統(tǒng)中，對(duì)安裝空間及環(huán)境溫度有著較高的要求。需保證換熱器所在環(huán)境溫度小于要求達(dá)到的溫度，否則，無法達(dá)到溫度要求；空間要求，換熱器需要有良好的通風(fēng)，所以，在安裝時(shí)周圍至少留有≥500mm的通風(fēng)空間。空冷裝置出口側(cè)易產(chǎn)生凝露并帶水排入室內(nèi)，對(duì)變頻器運(yùn)行環(huán)境產(chǎn)生了不利的影響；空-水冷卻裝置采用兩套設(shè)計(jì)，增加了設(shè)備成本；同時(shí)對(duì)水的質(zhì)量要求較高，在條件比較惡劣的鋼廠，如果直接采用鋼廠燒結(jié)冷卻水塔的水，需每隔半個(gè)月清洗一次水過濾器及空-水冷卻裝置。

六、水冷的冷卻方式

變頻器室內(nèi)的水循環(huán)示意圖如圖3所示。

圖3變頻器室內(nèi)的水循環(huán)示意

水冷系統(tǒng)分為內(nèi)循環(huán)水冷和外循環(huán)水冷，變頻器內(nèi)部功率單元采用水冷板散熱，水通過管道進(jìn)入水冷板，將IGBT等功率元件的發(fā)熱傳遞給水后，由水帶走，進(jìn)入水-水熱交換器，水-水熱交換器通過和外循環(huán)水換熱，熱量由外循環(huán)水帶走，冷水進(jìn)入單元水冷板繼續(xù)循環(huán)。為防止外部環(huán)境溫度引起變頻器內(nèi)部有凝露現(xiàn)象產(chǎn)生，在水冷管道內(nèi)加入加熱裝置。變頻器外部水溫低于25℃時(shí)，水冷系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)加熱器，同時(shí)將散熱外水通過旁路管道直接回流，當(dāng)水溫高于25℃時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉加熱器，根據(jù)溫度的大小，自動(dòng)調(diào)節(jié)外水通過散熱板的流量，讓外循環(huán)水帶走內(nèi)循環(huán)水的熱量。

綜合上述描述，合康HIVERT系列水冷高壓變頻器標(biāo)準(zhǔn)采用水冷方式與其它冷卻方式相比具有很大的優(yōu)勢(shì)：

（1）水冷系統(tǒng)可保證整個(gè)系統(tǒng)工作在最佳溫度點(diǎn)，而風(fēng)冷系統(tǒng)對(duì)外界環(huán)境波動(dòng)敏感，不易保持在最佳工作點(diǎn)。對(duì)于電子控制系統(tǒng)，工作在最佳溫度點(diǎn)意味著高可靠性和最長(zhǎng)的使用壽命。

（2）水冷系統(tǒng)對(duì)環(huán)境要求低，而空冷系統(tǒng)對(duì)環(huán)境要求高。變頻系統(tǒng)最佳工作點(diǎn)在0~40℃，按照大功率變頻器的效率為98%的話，意味著變頻器有很大的熱量需要散發(fā)，風(fēng)冷系統(tǒng)將很大的熱量排走需用一大容量或者超大容量的空調(diào)設(shè)備，投資大，長(zhǎng)期運(yùn)行費(fèi)用高。

（3）風(fēng)冷系統(tǒng)靠外風(fēng)循環(huán)，對(duì)室內(nèi)環(huán)境要求嚴(yán)格，灰塵很容易在高壓變頻器內(nèi)元器件和過濾網(wǎng)上集結(jié)，容易造成故障，也勢(shì)必增加設(shè)備維護(hù)量。

（4）水冷系統(tǒng)不需要大功率的冷卻風(fēng)機(jī)，因此噪聲小，而空冷系統(tǒng)噪聲大。

（5）合康HIVERT系列水冷型高壓變頻器對(duì)外循環(huán)水系統(tǒng)的水質(zhì)沒有特殊要求，可充分利用現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)裝置循環(huán)冷卻水，無需額外投資。

（6）冷卻系統(tǒng)雙泵互為備用，防止單泵故障引起系統(tǒng)停機(jī)。

此外，合康HIVERT系列水冷型高壓變頻器水冷系統(tǒng)分冷卻水和循環(huán)水，冷卻水和循環(huán)水是分離的兩回路，冷卻水將變頻器功率器件產(chǎn)生的熱量與外部循環(huán)水通過熱交換器的熱交換將變頻器產(chǎn)生的熱量帶走，變頻器在輔助電源上電后自動(dòng)檢測(cè)冷卻水電導(dǎo)率，當(dāng)電導(dǎo)率超過變頻器設(shè)定的電導(dǎo)率指標(biāo)時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)水冷系統(tǒng)除離子設(shè)備工作。

合康HIVERT系列水冷高壓變頻器使用直接水冷方式，為那些必須節(jié)省空間要求低噪音的應(yīng)用場(chǎng)合提供了最終解決方案。由于水能帶走98％的熱損耗，因此無需附加空調(diào)。這就降低了噪音，并提高了變頻器安裝的總效率。高效的水冷不需要在安裝室安裝空調(diào)，降低了安裝和運(yùn)行的成本。全封閉的柜體結(jié)構(gòu)使合康HIVERT系列水冷高壓變頻器更適于惡劣環(huán)境的應(yīng)用。

七、合康7400kW水冷變頻器在河北省遷安市鑫達(dá)鋼廠的成功應(yīng)用

合康HIVERT系列水冷高壓變頻器在鑫達(dá)鋼廠3#燒結(jié)風(fēng)機(jī)上得到了實(shí)際應(yīng)用。

7.1現(xiàn)場(chǎng)工況

河北省遷安市鑫達(dá)鋼廠3#160m2燒結(jié)線的負(fù)載為6600kW燒結(jié)風(fēng)機(jī)和7400kW冷卻風(fēng)機(jī)。2臺(tái)變頻器通過2臺(tái)同步電機(jī)分別拖動(dòng)2臺(tái)風(fēng)機(jī)，且具有互為備用功能。2臺(tái)變頻器都具有頻工/工頻投切功能。6600kW燒結(jié)風(fēng)機(jī)如表1所示，7400kW冷卻風(fēng)機(jī)電機(jī)參數(shù)如表2所示。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求，2臺(tái)變頻器互為備用及同步投切功能，變頻器的參數(shù)根據(jù)7400kW冷卻風(fēng)機(jī)電機(jī)而選型，變頻器的參數(shù)如表3所示

7.2系統(tǒng)構(gòu)成

（1）主回路

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求，2臺(tái)變頻器互為備用并具備同步投切功能，主回路圖如圖4所示。

圖4主回路圖

（2）控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)包括邏輯處理系統(tǒng)及上位監(jiān)控系統(tǒng)2部分。

邏輯處理系統(tǒng)采用西門子S7-300系列，PLC主要采集現(xiàn)場(chǎng)故障信號(hào)、壓力信號(hào)及電機(jī)工作狀態(tài)來控制變頻器的工作狀態(tài)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)壓力信號(hào)，自動(dòng)加減速、自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)的勵(lì)磁電流等。

上位監(jiān)控系統(tǒng)如圖5所示，它顯示變頻器的運(yùn)行狀態(tài)、水冷的狀態(tài)、電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、現(xiàn)場(chǎng)壓力、故障查詢及實(shí)時(shí)曲線。

圖5上位監(jiān)控系統(tǒng)

（3）水冷控制系統(tǒng)

水冷系統(tǒng)如圖6所示，分為內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)及外循環(huán)水系統(tǒng)。

圖6水冷系統(tǒng)

內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)整流二極管、逆變IGBT等器件直接安裝在水冷散熱板上，產(chǎn)生的熱量由內(nèi)循環(huán)水帶走，進(jìn)入水-水熱交換器，水-水熱交換器通過和外循環(huán)水換熱，把熱量由外循環(huán)水帶走，冷水進(jìn)入單元水冷板繼續(xù)循環(huán)。

外循環(huán)系統(tǒng)外水供水分2路，1路外水進(jìn)入油浸強(qiáng)迫油循環(huán)水冷變壓器的換熱器，通過換熱器把變壓器熱量帶走，冷卻變壓器后的外水進(jìn)入回水管道；另一路外水去水冷柜，在水冷柜中外水把內(nèi)水冷卻。內(nèi)水進(jìn)入變頻器模塊上的散熱器中，模塊上的熱量由內(nèi)水帶進(jìn)水冷柜，在水冷柜中內(nèi)水與外水進(jìn)行熱交換，外水把內(nèi)水的熱量帶走，從而達(dá)到對(duì)變頻器模塊的散熱。

冷卻系統(tǒng)雙泵互為備用，防止單泵故障引起系統(tǒng)停機(jī)；去離子水離子濃度檢測(cè)功能，離子超標(biāo)報(bào)警；冷卻系統(tǒng)壓力檢測(cè)，超標(biāo)報(bào)警；冷卻系統(tǒng)溫度檢測(cè)，超標(biāo)報(bào)警。

油浸強(qiáng)迫油循環(huán)水冷變壓器是把變壓器的油利用油泵從變壓器的上部抽出送入冷卻器，經(jīng)過外循環(huán)水進(jìn)行冷卻，送入變壓器下部，形成循壞。冷卻器是散熱能力強(qiáng)的螺旋式，變壓器油在螺旋通道內(nèi)和外循環(huán)水進(jìn)行熱交換，達(dá)到降低變壓器油溫的目的。變壓器采用立體卷鐵心，采用這種冷卻方式變壓器過載能力得到極大提高。變壓器強(qiáng)油水冷卻器是一種新型的應(yīng)用相當(dāng)廣泛的熱交換設(shè)備，它具有傳熱效率高、阻力損失小、操作穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格便宜等一系列優(yōu)點(diǎn)。螺旋極強(qiáng)油水冷卻器是由2張卷板卷制成2個(gè)均勻的螺旋通道的螺旋體。在2螺旋通道的首尾2頭，即螺旋體的上下方和外緣切向方向上各焊上接管及法蘭，2通道內(nèi)分別有1種有載液體（油和水）呈全逆流狀態(tài)進(jìn)行熱量交換。螺旋通道曲率均勻，通道中流體無大的換向，因而阻力較小且無死角。為了提高換熱效果通常流體在通道中流速轉(zhuǎn)大，可防止通道污垢堵塞，且通道本身有自潔作用，另外,2螺旋通道中還留有排氣（液）孔便于操作又可作取樣化驗(yàn)之用。具有傳熱效率高、熱損失少、結(jié)構(gòu)可靠、自清洗功能冷卻器可在確保通道壓力降不大的情況下，適當(dāng)增大液體流速，可以提高傳熱效果。液體呈螺旋形流動(dòng)，具有自動(dòng)清洗功能，污垢不易沉積，從而減少了停機(jī)檢修，節(jié)約了維修費(fèi)用。

油浸強(qiáng)迫油循環(huán)水冷變壓器具有局放小、噪音低、無局部過熱特點(diǎn)，可在過載30%以下情況下正常時(shí)使用而不影響產(chǎn)品壽命；可降低用戶設(shè)備投入成本及變壓器容量基本電費(fèi)；產(chǎn)品配置主油泵/備油泵，油泵進(jìn)出管道都配有閥門，即使在不停電的情況下更換油泵也極為便利。

水冷運(yùn)行參數(shù)顯示如圖7所示。

圖7水冷運(yùn)行參數(shù)顯示

7.3現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行概況

合康HIVERT系列水冷高壓變頻器在河北省遷安市鑫達(dá)鋼廠已穩(wěn)定運(yùn)行半年之久，采用水冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，體積小，冷卻效率高，在實(shí)際應(yīng)用中所表現(xiàn)出優(yōu)異的性能、高可靠的穩(wěn)定性。

八、結(jié)束語(yǔ)

合康HIVERT系列水冷高壓變頻器模塊化硬件設(shè)計(jì)和先進(jìn)的軟件特性使得水冷變頻器適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)所。全封閉緊湊的柜體設(shè)計(jì)適于惡劣環(huán)境，提高了大功率變頻器應(yīng)用的先進(jìn)性和可靠性。采用水冷冷卻方式具有良好的綜合性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，更適合大功率變頻器冷卻系統(tǒng)，可節(jié)約大量的運(yùn)行費(fèi)用，直接水冷有助于使變頻器變得非常緊湊合安靜。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。