高速磁浮列車變頻器冷卻系統原理及參數分析

張前鋒

(上海磁浮交通發展有限公司，201204，上海//工程師)

高速磁浮列車牽引(驅動)技術原理是基于交流同步直線電機技術，變頻器是其主要調速設備。高速磁浮列車的變頻器在列車運行過程中會產生巨大熱量，因此變頻器需要穩定、高效的冷卻系統來保障其正常工作。本文主要介紹上海高速磁浮列車變頻器冷卻系統的結構組成和工作原理，并對該系統設計進行研究和分析。

高速磁浮列車變頻器冷卻系統采用的冷卻方式是水冷。每臺冷卻機組通過兩套獨立的水路循環，將變頻器工作時產生的巨大熱量帶到室外進行降溫處理。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。

1 高速磁浮列車變頻器冷卻系統概述

高速磁浮列車變頻器冷卻系統有兩套獨立的水循環系統，分別為一次水循環和二次水循環。一次水使用高純度水，用于變頻器內部元器件冷卻，一次水循環裝置將變頻器工作時產生的熱量帶出；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制冷機組進行降溫。

一次水循環使用的冷卻水要求純度很高，電導率低于0.5 μs/cm，水中雜質顆粒小于50 μm；二次水循環使用的冷卻水要求零下20℃不結冰。另外，變頻器冷卻系統必須采集的實時信號由傳感器送入變頻器冷卻水控制子系統，由其控制冷卻系統的自動運行。其核心設備是SIMATIC S7控制器，屬于變頻器控制系統的子系統之一。單套冷卻系統的制冷容量為131 kW。

2 高速磁浮列車變頻器冷卻系統配置

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

變頻器冷卻系統的主要相關設備分布：變頻器、一次水箱位于設備樓一層；一/二次循環水泵、熱交換器、去離子裝置、二次水箱等位于設備樓地下室；二次水循環的制冷壓縮機組位于變頻器設備樓屋頂。主要設備分布在上、中、下三層結構中。

3 高速磁浮列車變頻器冷卻系統運行原理

高速磁浮列車牽引變頻器冷卻系統檢測及控制原理圖如圖1所示。

圖1 牽引變頻器冷卻系統檢測及控制原理圖

3.1 一次水循環系統

如圖1左側部分所示，一次水循環回路通過水泵驅動，經熱交換器降溫后，分別流經變頻器的整流柜，制動斬波柜，以及U、V、W三相逆變柜，然后回到一次水箱，再次進入循環；循環其間若檢測到一次水電導率高，則流經去離子裝置的閥門打開，對一次水進行去離子。

對一次水去離子的原因：一次水進入變頻器柜后經毛細管路直接通過變頻器GTO(門極可關斷晶閘管)模塊等的內部散熱器如圖2所示。這些金屬散熱器內層沒有絕緣層，功率器件通過這些散熱器和一次冷卻水聯系在一起，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，所以變頻器對于內循環的冷卻水的純度要求極高，冷卻水電導率要求低于0.5 μs/cm，水中雜質顆粒小于50 μm。

圖2 變頻器內部冷卻系統毛細管路

3.2 二次水循環系統

如圖1右側部分所示，二次循環水通過水泵驅動，進入室外的空調壓縮機制冷機組；二次循環水在蒸發器中和壓縮機中的低壓、低溫氣液混合制冷劑進行熱交換，二次水溫得到降低。制冷劑吸熱變為低壓氣體，經過壓縮機絕熱壓縮變成高溫高壓氣態，送入冷凝器向環境放熱后冷凝為高壓液體，再經過膨脹閥節流后進入蒸發器，如此循環往復。

壓縮機組不僅能夠提高冷卻效率，使得二次循環水溫快速降低，而且能夠準確控制二次水溫。根據一次水溫度的高低，二次水通過三位置閥(三通)控制進入熱交換器水量，來控制一次水的溫度。一次循環的水壓須大于二次循環水壓，避免熱交換器有漏點時，二次水通過漏點污染一次水。

4 高速磁浮列車冷卻系統主要參數分析

變頻器冷卻系統的控制部分是通過分布在管路和現場的傳感器采集信號，由處理器對比各環節參數配置后，對各執行機構發出控制命令，使冷卻系統一、二次水各參數在運行過程中符合要求，并最終達到為變頻器發熱元件進行冷卻的目標。

4.1 變頻器冷卻系統溫度控制范圍

一次水溫要高于變頻器的環境溫度2 ℃以上，以防止因設備結露而降低絕緣性能。若一次水溫度低于環境溫度，則單獨啟動一個或兩個一次水泵，通過水循環與管道壁的摩擦使得水溫升高。

一次水溫度高于38 ℃時，冷卻系統報警，高于40 ℃時，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，則啟動壓縮機制冷機組，對二次水進行降溫。

二次水溫度高于30 ℃時，冷卻系統報警，報警后給一次水降溫的效率下降，直到一次水溫高于40 ℃后變頻器保護關斷。

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

表1 二次水溫與壓縮機投入功率控制表

4.2 變頻器冷卻系統一次水電導率控制

變頻器運行時一次水電導率控制在0.4～0.5 μs/cm之間，變頻器停止運行時一次水電導率控制在≥0.6 μs/cm。通過閥門控制一次水，通過去離子裝置時長來控制一次水電導率。

如果去離子裝置的閥門打開連續工作10 h后仍未關閉，去離子裝置自檢系統會報警，提示去離子樹脂失效，需更換去離子樹脂。

兩個傳感器檢測值差異即電導率檢測差值大于0.09 μs/cm，系統會報警，認為傳感器精度有誤，需校準或更換，以此方式保證電導率檢測精度。

4.3 變頻器冷卻系統流量監測

一、二次水循環管路中存有空氣或壓力低等原因導致的流量低，報警超過設定時長，控制系統會發出報警：冷卻系統整體故障，變頻器保護關斷。

4.3.1 水位監測

1) 一次水箱液位監測。當水箱水位低于最低水位時，冷卻系統停止工作；當水箱水位低于正常水位時需要補水；當水箱水位超出最高水位：水會溢出。

2) 二次水箱液位監測。當水箱水位低于最低水位時，冷卻系統停止工作，意味著二次水漏水；當水箱水位低于正常水位時，需要補水；當水箱水位高于最高水位時；表示一次水泄露進入二次水循環。

4.3.2 水壓監測

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，可以避免一次水被污染。

另外，壓縮機的自檢及保護、傳感器的自檢、水泵控制系統的自檢及保護、供電電源的監測及保護在系統設計中也均有考慮。

5 變頻器冷卻系統功能

冷卻系統的設計主要有以下功能。

5.1 二次冷卻及冗余功能

2套獨立的水循環系統能提高整個冷卻系統效率和精度。冷卻系統配置考慮到一定的冗余功能，如果部分關鍵設備或易損設備故障，不會導致冷卻系統停機。冷卻系統設備配置如表2所示。

5.2 接口信號

變頻器啟動前只須檢測冷卻系統工作狀態；變頻器運行過程中，若冷卻系統整體故障、電導率和一次水溫超限則變頻器直接保護關斷。其它冷卻系統參數指標由冷卻系統控制柜自動控制。

5.3 冷卻系統開始工作條件及模式

變頻器準備模式開啟后即開始工作。冷卻系統不具備條件則變頻器不能啟動或保護關斷。冷卻系統工作模式為：

表2 冷卻系統關鍵運行設備或易故障設備配置表

1) 聯機模式：變頻器運行時模式，冷卻系統不可操作。

2) 獨立模式：單獨調試及試運行冷卻系統。

3) 單機模式：單個設備運行或維護更換備件。

5.4 人機界面監控功能

通過WinCC(視窗控制中心)冷卻系統監控界面，冷卻系統工作狀態、溫度、壓力、流量、電導率、水箱水位等參數情況均一目了然，并能對冷卻系統設備進行遠程操作。

從變頻器冷卻系統的設計策略和現場應用來看：該系統冗余科學，系統在關鍵或易損壞設備故障時，不會導致冷卻系統直接停止工作，維護人員可在列車停止運行后進行維護，冗余功能能夠保障冷卻系統的長期安全穩定運行；變頻器冷卻系統接口簡潔，冷卻系統與變頻器相互較為獨立，接口信號較少，對接方便，便于大型自動化項目系統集成；采用二次冷卻，能提高整個冷卻系統效率和精度；監控數據全面，運行人員能實時掌握設備運行狀況和各項參數，為故障排除和系統維護提供參考依據；采用多種運行模式，便于聯機、調試、隔離、維護等工作操作。總之，該變頻器冷卻系統設計科學，功能完備。

6 結論

從上海高速磁浮列車的運行來看，該冷卻系統能滿足帶走磁浮列車在高速運行中變頻器所產生的熱量的需求，并能實現自身高效閉環調溫、調壓、調電導率等功能，保障磁浮列車的安全穩定運行。

通過長期運行和維護，在工作中發現，冷卻系統的設計仍有以下幾點可以進一步改進:

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

且控制柜布線較為緊湊，強電和弱電電纜間隔較近，光電轉換模塊工作在其間易受到干擾。在今后的設計中，建議將光電轉換過程放在系統硬件內部完成，可以提高數據傳輸穩定性和抗干擾性。

2) 某些維護設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置不合理，且無鎖閉裝置。加、放水維護操作空間小，容易誤動作。

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