摘要：散熱問題是困擾大功率高壓變頻器安全運行的重要部分，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)場實際應用情況。

關鍵詞：大功率高壓變頻器水冷

一、引言

隨著高壓變頻器在各個行業(yè)的廣泛應用，關于高壓變頻器在應用中帶來的系統(tǒng)安全，設備穩(wěn)定性的應用問題也越來越多的受到關注，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行的重要部分。目前國內高壓變頻器還是以風冷為主要散熱方式。隨著變頻器功率的增大，風冷已經(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用業(yè)績，合康7400kW水冷變頻器在河北省遷安市鑫達鋼廠的成功應用，標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)內的競爭實力。

二、水冷與風冷的散熱方式對比

高壓變頻器安裝對環(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。高壓變頻器內部使用了相當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，散熱是至關重要的一項。大功率半導體器件工作時所產(chǎn)生的熱量，將導致芯片溫度的升高，如果沒有適當?shù)纳岽胧?，就可能使芯片溫度超過最高允許溫度值，從而導致器件性能的惡化以致?lián)p壞。所以在電路設計中，選擇適當?shù)纳岱绞?，并進行合理的設計，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、風冷的冷卻方式

變頻器室內的冷熱風循環(huán)示意圖如圖1所示。

圖1變頻器室內的冷熱風循環(huán)示意圖

變頻器從柜體的正面吸入空氣，經(jīng)過柜頂風機將變頻器內部的熱量帶走排出到室內，從而在變頻器上面形成一個溫度偏高、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偏負壓區(qū)域，在運行中，變頻器功率柜上部區(qū)域實際上是吸入剛排出的熱風進行冷卻，形成氣流短路，風不能達到有效的冷卻效果。風冷的冷卻系統(tǒng)主要包括散熱片和冷卻風扇。其中冷卻風扇壽命較短，壽命受限于軸承，臨近使用壽命時，風扇產(chǎn)生震動，噪聲增大最后停轉，變頻器出現(xiàn)單元過熱跳閘。

四、風冷+空調的冷卻方式

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

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

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

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

六、水冷的冷卻方式

變頻器室內的水循環(huán)示意圖如圖3所示。

圖3變頻器室內的水循環(huán)示意

水冷系統(tǒng)分為內循環(huán)水冷和外循環(huán)水冷，變頻器內部功率單元采用水冷板散熱，水通過管道進入水冷板，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部有凝露現(xiàn)象產(chǎn)生，在水冷管道內加入加熱裝置。變頻器外部水溫低于25℃時，水冷系統(tǒng)會自動啟動加熱器，同時將散熱外水通過旁路管道直接回流，當水溫高于25℃時，自動關閉加熱器，根據(jù)溫度的大小，自動調節(jié)外水通過散熱板的流量，讓外循環(huán)水帶走內循環(huán)水的熱量。

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

（1）水冷系統(tǒng)可保證整個系統(tǒng)工作在最佳溫度點，而風冷系統(tǒng)對外界環(huán)境波動敏感，不易保持在最佳工作點。對于電子控制系統(tǒng)，工作在最佳溫度點意味著高可靠性和最長的使用壽命。

（2）水冷系統(tǒng)對環(huán)境要求低，而空冷系統(tǒng)對環(huán)境要求高。變頻系統(tǒng)最佳工作點在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設備，投資大，長期運行費用高。

（3）風冷系統(tǒng)靠外風循環(huán)，對室內環(huán)境要求嚴格，灰塵很容易在高壓變頻器內元器件和過濾網(wǎng)上集結，容易造成故障，也勢必增加設備維護量。

（4）水冷系統(tǒng)不需要大功率的冷卻風機，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外循環(huán)水系統(tǒng)的水質沒有特殊要求，可充分利用現(xiàn)場生產(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。

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檢測冷卻水電導率，當電導率超過變頻器設定的電導率指標時，自動啟動水冷系統(tǒng)除離子設備工作。

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用場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。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，降低了安裝和運行的成本。全封閉的柜體結構使合康HIVERT系列水冷高壓變頻器更適于惡劣環(huán)境的應用。

七、合康7400kW水冷變頻器在河北省遷安市鑫達鋼廠的成功應用

合康HIVERT系列水冷高壓變頻器在鑫達鋼廠3#燒結風機上得到了實際應用。

7.1現(xiàn)場工況

河北省遷安市鑫達鋼廠3#160m2燒結線的負載為6600kW燒結風機和7400kW冷卻風機。2臺變頻器通過2臺同步電機分別拖動2臺風機，且具有互為備用功能。2臺變頻器都具有頻工/工頻投切功能。6600kW燒結風機如表1所示，7400kW冷卻風機電機參數(shù)如表2所示。

根據(jù)現(xiàn)場需求，2臺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冷卻風機電機而選型，變頻器的參數(shù)如表3所示

7.2系統(tǒng)構成

（1）主回路

根據(jù)現(xiàn)場需求，2臺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)場故障信號、壓力信號及電機工作狀態(tài)來控制變頻器的工作狀態(tài)，根據(jù)現(xiàn)場壓力信號，自動加減速、自動調節(jié)電機的勵磁電流等。

上位監(jiān)控系統(tǒng)如圖5所示，它顯示變頻器的運行狀態(tài)、水冷的狀態(tài)、電機運行狀態(tài)、現(xiàn)場壓力、故障查詢及實時曲線。

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，分為內循環(huán)水系統(tǒng)及外循環(huán)水系統(tǒng)。

圖6水冷系統(tǒng)

內循環(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)生的熱量由內循環(huán)水帶走，進入水-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路外水進入油浸強迫油循環(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入回水管道；另一路外水去水冷柜，在水冷柜中外水把內水冷卻。內水進入變頻器模塊上的散熱器中，模塊上的熱量由內水帶進水冷柜，在水冷柜中內水與外水進行熱交換，外水把內水的熱量帶走，從而達到對變頻器模塊的散熱。

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

油浸強迫油循環(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)水進行冷卻，送入變壓器下部，形成循壞。冷卻器是散熱能力強的螺旋式，變壓器油在螺旋通道內和外循環(huán)水進行熱交換，達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。變壓器強油水冷卻器是一種新型的應用相當廣泛的熱交換設備，它具有傳熱效率高、阻力損失小、操作穩(wěn)定可靠、結構緊湊、價格便宜等一系列優(yōu)點。螺旋極強油水冷卻器是由2張卷板卷制成2個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通道內分別有1種有載液體（油和水）呈全逆流狀態(tài)進行熱量交換。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之用。具有傳熱效率高、熱損失少、結構可靠、自清洗功能冷卻器可在確保通道壓力降不大的情況下，適當增大液體流速，可以提高傳熱效果。液體呈螺旋形流動，具有自動清洗功能，污垢不易沉積，從而減少了停機檢修，節(jié)約了維修費用。

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

水冷運行參數(shù)顯示如圖7所示。

圖7水冷運行參數(shù)顯示

7.3現(xiàn)場運行概況

合康HIVERT系列水冷高壓變頻器在河北省遷安市鑫達鋼廠已穩(wěn)定運行半年之久，采用水冷結構設計，體積小，冷卻效率高，在實際應用中所表現(xiàn)出優(yōu)異的性能、高可靠的穩(wěn)定性。

八、結束語

合康HIVERT系列水冷高壓變頻器模塊化硬件設計和先進的軟件特性使得水冷變頻器適用于不同的應用場所。全封閉緊湊的柜體設計適于惡劣環(huán)境，提高了大功率變頻器應用的先進性和可靠性。采用水冷冷卻方式具有良好的綜合性價比優(yōu)勢，更適合大功率變頻器冷卻系統(tǒng)，可節(jié)約大量的運行費用，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，并且它的熱傳導非常高效。