防爆變頻器水冷散熱系統(tǒng)研究

于哲

(1.中煤科工集團常州研究院有限公司， 江蘇 常州　213015；

2.天地(常州)自動化股份有限公司， 江蘇 常州　213015)

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防爆變頻器水冷散熱系統(tǒng)研究

于哲1,2

(1.中煤科工集團常州研究院有限公司， 江蘇 常州213015；

2.天地(常州)自動化股份有限公司， 江蘇 常州213015)

摘要：根據(jù)井下大功率防爆變頻器的特點，設計了防爆變頻器水冷散熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用防爆殼體內(nèi)部散熱風機冷卻+外部循環(huán)水系統(tǒng)冷卻的散熱方式，可將水箱中水溫控制在某一范圍內(nèi)，保證變頻器的進水溫度，從而降低變頻器腔內(nèi)的發(fā)熱量。測試結(jié)果驗證了該系統(tǒng)的有效性。

關鍵詞：防爆變頻器； 水冷散熱； 風冷散熱

網(wǎng)絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20151231.1559.016.html

Research of water cooling system of explosion-proof inverter

YU Zhe1,2

(1.CCTEG Changzhou Research Institute, Changzhou 213015, China;

2.Tiandi (Changzhou) Automation Co., Ltd., Changzhou 213015, China)

Abstract：According to characteristics of underground high-power explosion-proof inverter, a water cooling system of explosion-proof inverter was designed. The system uses cooling mode of internal fan cooling + external circulating water cooling, can control water temperature in the tank within a certain range, and ensure water temperature of the inverter, so as to reduce calorific value in the inverter. The test results demonstrate the effectiveness of the system.

[WTHZ]Key words[WTBZ]:explosion-proof inverter; water cooling; air cooling

0引言

近年來，隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，煤礦井下用帶式輸送機、刮板輸送機的功率等級越來越高，1 000 kW以上的防爆變頻器也得到了廣泛的應用。但是，隨著變頻器功率等級的提高，元器件發(fā)熱問題逐漸凸顯。筆者通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段大功率防爆變頻器主要通過普通水箱儲水的方式散熱。這種方式在井下溫度較高時，進水溫度可能高于變頻器設定的保護值，容易引起器件的老化。本文通過對普通水箱的改進，將水箱中的水溫控制在某一范圍內(nèi)，保證變頻器的進水溫度，從而降低變頻器腔內(nèi)的發(fā)熱量。

1井下防爆變頻器散熱方式選擇

目前，防爆變頻器的散熱方式主要有風冷與水冷，可根據(jù)變頻器功率大小及煤礦井下的實際情況，選擇相應的散熱方式。

1.1風冷散熱

對于功率較小的防爆變頻器，主要采用強迫風冷的方式散熱，其缺點是需要井下通風條件良好，并且防爆變頻器散熱風機容易吹入煤塵，可靠性相對較低。影響強制風冷效果的一個重要參數(shù)是風速，風速越大，散熱器熱阻越小，但流動阻力越大，所以適當提高風速有利于降低熱阻，但風速超過一定值后再提高無多大意義。

1.2水冷散熱

對于功率較大的防爆變頻器，主要采用水冷的散熱方式，水冷散熱效果高，可提高功率器件的穩(wěn)定性[1]。

1.3強制風冷+強制水冷方式

大功率防爆變頻器殼體內(nèi)部散熱可選擇軸流風機強制散熱+水循環(huán)冷卻。防爆變頻器的外部散熱系統(tǒng)應根據(jù)井下具體環(huán)境確定，在井下水量及溫度均不能滿足相應要求的前提下，可選擇水箱加制冷系統(tǒng)供水。水箱主要用于供給變頻器循環(huán)水，而制冷系統(tǒng)主要用于降低水箱溫度。當水箱內(nèi)溫度高于某一設定值上限時，制冷系統(tǒng)工作，通過制冷來降低水箱內(nèi)溫度；當水箱內(nèi)溫度低于某一設定值下限時，制冷系統(tǒng)停止工作[2]。

2水箱容量與制冷量的計算

根據(jù)實際測量，某品牌1 000 kW/3 300 V防爆變頻器的散熱量為40~50 kW，按中間值45 kW計算，則變頻器每小時散熱量Qs=45 kW×3 600 s=162 000 kJ。設計制冷機每小時開停次數(shù)為3～4次，水箱內(nèi)的水溫從下限值15 ℃升高到上限值25 ℃的蓄冷量維持時間約為20 min，則水箱的需冷量Qw=Qs/3=54 000 kJ。根據(jù)熱量計算公式可得Qw=4.2 kJ/(kg·℃)×m×10 ℃=54 000 kJ，可得水箱內(nèi)可容納的水的質(zhì)量m=1 286 kg，水箱容量V=1.286 m3≈1.3 m3。

為防止變頻器停止使用時變頻器及管路中的水流回水箱內(nèi)，設計水箱的水容量為水箱內(nèi)容積的60%，則水箱的內(nèi)容積約為2.2 m3。

根據(jù)煤礦井下相關要求，機組尺寸不能大于3 500 mm×1 500 mm×1 800 mm，根據(jù)所選擇的某品牌防爆變頻器的制冷設備體積，可豎向設計外尺寸為1 200 mm×1 350 mm×1 500 mm，保溫厚度為30 mm，內(nèi)尺寸為1 170 mm×1 320 mm×1 470 mm，即總內(nèi)容積為2.27 m3。

箱體總面積為

A︱m3=1.2×1.35×2+1.2×1.5×2+1.35×1.5×2=10.89

(1)

傳熱系數(shù)K=1.13 W/(m3·℃)，箱體兩側(cè)的溫差t=25-15=10 ℃，則箱體隔熱層漏熱量為

Q2︱kW=KAt=1.13×10.89×10≈0.123

(2)

設水箱壁跑冷量為Q1，R為制冷裝置和管道冷損失補償系數(shù)，直接冷卻系統(tǒng)取1.07，間接冷卻系統(tǒng)取1.12，本系統(tǒng)采用間接冷卻系統(tǒng)，則R取1.12，總需冷量為

(3)

3水箱的設計

整個防爆變頻器水冷散熱系統(tǒng)分為2個部分：一是氟利昂系統(tǒng)，為水箱中的水降溫；二是水系統(tǒng)，保證水的循環(huán)。

3.1降溫原理

防爆變頻器水冷散熱系統(tǒng)主要由壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器(板式換熱器)組成，用管道將它們連接成一個密封的系統(tǒng)。系統(tǒng)中水溫要求為15～25 ℃，本方案將水降低到15 ℃計算，則氟利昂的蒸發(fā)溫度設定在10 ℃，使氟利昂與水有5 ℃左右的換熱溫差，確保水溫可以降低到15 ℃。降溫原理[3]：在蒸發(fā)器內(nèi)處于低溫低壓的制冷劑液體與水發(fā)生熱交換，吸收水的熱量并汽化；產(chǎn)生的低壓蒸氣被壓縮機吸入，經(jīng)壓縮后從高壓側(cè)排出；壓縮機排出的高壓氣態(tài)制冷劑經(jīng)過油分離器將冷凍油從制冷劑中分離出來后進入風冷冷凝器，被常溫的空氣冷卻，凝結(jié)成高壓液體，高壓液體存入儲液器，根據(jù)需冷量的大小供液。高壓液體流經(jīng)膨脹閥時節(jié)流，變成低壓低溫的氣、液兩相混合物，進入板式換熱蒸發(fā)器，其中的液態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)制冷，產(chǎn)生的低壓氣體再次被壓縮機吸入。如此周而復始，不斷循環(huán)。

3.2水循環(huán)原理

降溫后的水存入水箱內(nèi)，經(jīng)過水泵泵入變頻器的冷卻盤管中；水與變頻器換熱后，將變頻器的熱量帶走，吸收變頻器熱量的水，直接進入水箱與水箱中的冷水混合；水箱中的水溫升高到25 ℃時，制冷機啟動為水箱中的水降溫，降溫后的水進入水箱，如此循環(huán)，為變頻器降溫。

水循環(huán)原理如圖1所示。

4散熱效果驗證

在環(huán)境溫度為30 ℃左右時進行系統(tǒng)測試，控制系統(tǒng)出水溫度在27~29 ℃之間，對變頻器加載至1 MW，連續(xù)運行15 h，得出溫度曲線，如圖2所示。由圖2可見，雖然設定系統(tǒng)出水溫度為27~29 ℃，而變頻器檢測出的進水溫度略高于該溫度，但不影響整體運行。通過水冷散熱系統(tǒng)，控制變頻器腔體溫度不高于50 ℃[4]，有效降低了變頻器各器件的發(fā)熱量，提高了各器件的可靠運行能力。

圖1　水循環(huán)原理

5結(jié)語

分析了目前主要的井下防爆變頻器散熱方式，通過計算水箱容量與制冷量，制作了樣機，在地面試驗過程中，散熱系統(tǒng)效果良好。

圖2　溫度曲線

參考文獻：

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[2]苗盈瀛.大功率隔爆型變頻器散熱系統(tǒng)開發(fā)[J]. 煤礦機械,2013,34(6):59-61.

[3]金文,逯紅杰.制冷技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009.

[4]高崢.淺談防爆變頻器的散熱[J].電氣防爆,2007(4):7-9.

于哲.防爆變頻器水冷散熱系統(tǒng)研究[J].工礦自動化，2016,42(1)：55-57.

基金項目：江蘇省重點大學生創(chuàng)新訓練計劃項目(201511998002Z)。

作者簡介：于哲(1987-)，男，江蘇鹽城人，助理工程師，現(xiàn)主要從事礦用防爆變頻器生產(chǎn)及技術(shù)研究工作，E-mail:yzxdck@163.com。 孫健(1975-)，男，江蘇徐州人，高級工程師，主要研究方向為機械設計及理論，E-mail：sunbin275@163.com。

收稿日期：2015-10-09；修回日期：2015-11-30；責任編輯：胡嫻。 2015-09-29；修回日期：2015-11-18；責任編輯：胡嫻。

中圖分類號：TD611.3

文獻標志碼：B網(wǎng)絡出版時間：2015-12-31 15:59

文章編號：1671-251X(2016)01-0055-03DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.01.016