高功率密度水冷中壓變頻系統研究

安健辰 苗杰

摘 要：采油平臺上所使用的變頻器大多數為風冷型設備，“高功率密度水冷中壓變頻系統”是通過采用中壓小電流及水循環高效冷卻方案，提高單位體積的變頻設備功率，從而實現高功率密度變頻系統，有效降低尺寸和重量。相比原有中、低壓系統，該變頻系統具有設備功率大、尺寸小、重量輕的優點，且在遠距離傳輸與控制方面有較大的優勢。能很大程度上節約基建成本及維護成本。文章介紹了水冷變頻設備的工藝、系統組成及布局。

關鍵詞：水冷;采油平臺;中壓變頻系統

1 引言

目前，采油平臺上所使用的變頻器大多數為風冷型設備，為了防止設備在使用過程中被鹽霧及潮濕環境所腐蝕，需要為其建造專用電氣間，盡量使變頻器應用環境達到理想狀態。由于風冷型變頻設備體積較大，增加了海上平臺的建設面積，建造成本投入較大。

“高功率密度水冷中壓變頻系統”是通過采用中壓小電流及水循環高效冷卻方案，提高單位體積的變頻設備功率，從而實現高功率密度變頻系統，有效降低尺寸和重量。相比原有中、低壓系統，該變頻系統具有設備功率大、尺寸小、重量輕的優點，且在遠距離傳輸與控制方面有較大的優勢。能很大程度上節約基建成本及維護成本。

2 水冷工藝介紹

2.1 概述

現市面上的變頻器散熱方式主要有自然冷卻、強迫風冷和水冷，國內的變頻器散熱方式以水冷為主。但隨著國內工業的發展，變頻器容量的不斷提高，變頻器使用工況的日益復雜，散熱器面積、環境溫度、變頻器使用環境、風機體積與噪音等多方面原因影響了風冷變頻器的冷卻效果。

半導體器件在大功率使用的情況下，會產生較多的熱量，存在同樣情況的還有系統內的移相變壓器，這兩個部分所產生的熱量，在工作時會導致元器件過熱，若散熱措施不恰當，不能把熱量及時帶出系統外，會導致系統內元器件的溫升高于其標準使用要求的溫升，進而使器件性能降低，甚至損壞元器件。所以在變頻器的結構設計中，盡可能的考慮溫升的影響，通過設計散熱方式，使變頻器的溫升降至最低，從而保護元器件。

2.2 工作原理

水冷系統適用于大功率電氣設備，其構成有去離子系統、動力系統、換熱系統、穩壓系統、補水系統和控制系統，水冷系統的循環介質一般采用采用純凈水，或比熱容更大的乙二醇，水水換熱器負責把系統的熱量交換到大氣中。由于循環介質在完全密閉條件下工作，工作過程中避免了純凈水或乙二醇的蒸發損失，同時也便于系統內的防銹防垢。

主循環泵驅動純凈水或比熱容更大的乙二醇，以恒定的流速通過功率單元散熱器，帶走系統產生的熱量;系統內的循環介質在升溫后沿主管回路進入換熱器，在換熱器內完成熱量交換;冷卻后的循環介質流至進口，完成熱交換過程。

PLC根據實時采集的供水溫度控制電動三通閥的開度，以此達到精確控溫的目的。控制系統根據實時工況自動監控運行各電機及傳感器單元。

2.3 熱負荷計算

變頻器在運行過程中要產生一定的功耗，一般為其容量的3～5%。其中移相變壓器約占45%，整流及逆變約占48%，控制系統、主回路電纜與銅排等約占7%。為使大功率變頻器使用于惡劣環境，尤其是要求整機外形尺寸小，結構緊湊，節省空間的大功率傳動變流器，非常適合使用水冷冷卻方案。水冷扇熱換熱效率高，換熱系數達到3500W/（m2·℃），散熱效果好。變頻器可以不受空間限制，因為配水管道不存在傳輸距離的限制，且體積小。另外水冷系統能將變頻器系統溫度降至室溫以下，所以也不受室溫限制。

（1）冷卻水流量。根據經驗并考慮適當裕量， 1kW變頻器功耗產生的熱量，需要水泵的循環水量為6L/min，而變頻器的功耗為其容量的3～5%，以5%計，可得水泵流量與容量關系為：

水泵流量=變頻器容量×5%×6

若變頻器設計容量為800kW。

水泵流量=800×5%×6=240L/min

據此，選擇流量大于計算值的循環水泵，可選擇額定流量為15m3/h，型號為CR15的水泵。

（2）冷卻系統管道計算。管道系統和閥門主要包括快速接頭、管道、各種功能閥門（流量控制閥）、過濾器、其它管接頭及密封件等。

管道的尺寸（如直徑、長度等），應根據冷卻液的流速來確定：

其中，Qv為水流量（m3/h）;U為水流速（m/s）;D為管道直徑（mm）。可計算管道的直徑。系統的管道材料，考慮到冷卻介質特殊要求，全部采用無縫不銹鋼管，局部用聚胺脂管。

若采用CR15水泵，流量15m3/h，流速選擇2.3m/s，管道直徑應為48mm，選擇DN50管道。

（3）冷卻水進出水溫度。水冷系統的主要是將發熱元器件產生的熱量與冷卻液充分交換。為了確保器件的發熱表面在被液體冷卻時能把所耗散的熱量盡量全部帶走，冷卻水進水溫度必須處于一個合理的區間。

冷卻系統需要確定如下參數：冷卻液體流量，冷卻液體進口溫度，系統的熱耗散功率，現場提供的最高進水溫度Tin_max。

其中Tout為冷卻液體出口溫度（℃）;Tin為冷卻液體進口溫度（℃）;Q為系統發熱總耗散功率（kW）;ρ為液體的密度（kg/m3）;V為冷卻液體流量（m3/h）;CP為冷卻液體的比熱容（kJ/kg.k）。

計算冷卻液體出口最高溫度Tout_max。這個是非常重要的，如果Tout_max大于系統的可允許范圍，那么必然有一部分組件將發生發熱問題。

若現場現場提供的最高溫度為42℃，取Cp為3.8kJ/kg.k， 現場出水溫度Tout為44.6℃。

3 系統組成與布局

（1）變頻系統布置在集裝箱內部，一臺集裝箱內部放置兩套獨立的變頻系統。

（2）整機系統采用水冷散熱方案，集裝箱與室外無空氣交互，實現高防護等級，可以將系統放置在平臺甲板上，無需單獨建造變頻器室，節約基建及維護成本。

（3）每套變頻系統由移相整流變壓器、水冷功率部分、控制系統、水冷系統及輔助散熱系統等組成。

（4）每套變頻系統的功率部分由6組功率單元組成;每相由兩組功率單元級聯輸出。每組功率單元為2X700VAC輸入，1X1400VAC三電平輸出，兩組功率單元級聯最大支持4.16kV輸出。

（5）為了實現系統的高防護等級需求，功率單元采用水冷散熱方式，具備功率密度大，體積小等特點;同時變壓器系統采用風水冷解決方案，即通過風水換熱器把變壓器損耗熱量通過水冷系統冷卻。

（6）每套系統配置一套去離子水冷處理系統，為系統提供冷卻源。其系統布局如下：

a）兩套變頻系統獨立布置在20英尺標準集裝箱內，兩套之間用可靠絕緣系統隔離，實現兩套系統單獨維護及保證其安全性。

b）水冷系統與控制系統前后布局，實現系統空間有效利用。

c）集裝箱后部放置水冷系統水管，正面放置電氣部分，實現水電分離布局，提高系統可靠性及可維護性。

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