大功率變頻器冷卻系統的設計與應用

馬 駿

（太原市熱力集團有限責任公司， 山西 太原 030000）

0 引言

變頻器在運行過程中，由于運行電流較大，因此會產生較多的熱量，熱量的積累導致溫度上升，這對于大功率變頻器的使用壽命和運行效率造成挑戰[1-3]。傳統的冷卻系統多應用空調冷卻系統，其前期投資和運行費用較為昂貴，同時運行穩定性和安全可靠性較差[4]。針對上述問題，設計了一種大功率變頻器冷卻系統，分析了大功率冷卻系統的工作原理，并以此為基礎對冷卻系統進行了設計，最后分析了應用效果和經濟性。

1 大功率變頻器冷卻系統工作原理

由于熱力公司所應用的變頻器電壓等級和功率等級較大，為了保證變頻器的工作性能，采用效率較高的常溫水閉式循環冷卻系統，如圖1 所示為大功率變頻器冷卻系統原理示意圖，冷卻系統主要由冷卻水箱、水流指示器、補水箱、安全閥、排氣裝置、過濾裝置、馬達離心泵等組成。通常情況下，兩個冷卻水箱通過補水箱補滿水，水箱內的水在冷卻系統中循環流動，通過馬達離心泵旋轉使得循環流動的水將熱量帶至冷卻水箱。冷卻水箱具備循環路徑場、散熱面積大的特點，充分冷卻后循環流動的水將再次循環帶走變頻器的熱量，如此往復可以起到對變頻器冷卻的目的。

圖1 大功率變頻器冷卻系統

1—水箱I；2—水流指示器；3—補水箱；4—安全閥；5—變頻器；6—水箱II；7—排氣口；8—馬達離心泵；9—過濾器

為了實現大功率變頻器冷卻系統的正常工作，需要注意以下兩點：一是冷卻系統對變頻器的熱量進行充分冷卻，長時間運行后變頻器的熱量不會有所積累，可以穩定運行；二是冷卻系統對變頻器熱量冷卻后，循環再冷卻時的水溫需要恢復，這樣才能達到循環冷卻效果。

2 大功率變頻器冷卻系統設計

2.1 變頻器箱設計

如圖2 所示為變頻箱結構示意圖，通常變頻器系統由兩臺變頻器構成。為了使變頻器冷卻效率更好，將兩臺變頻器分別安裝在變頻器的底板和背板上。當循環水流入背板時，首先對安裝在背板的第一臺變頻器進行冷卻降溫；之后循環水流出背板并流入底板，對安裝在底板的第二臺變頻器進行冷卻降溫；當完成對兩臺變頻器的冷卻后，循環水由背板流出，完成一輪冷卻散熱。

圖2 變頻器箱結構

通常大功率變頻器系統中兩臺變頻器的應用頻次和發熱功率有所差別，安裝在底板的第二臺變頻器的熱量相對安裝在背板的第一臺較高，因此，變頻器箱的底板需要有較強的散熱效果。本文所設計的變頻器底板采用黃銅材料，其導熱率較高，可以增強循環水熱量交換和冷卻效果。

2.2 參數計算

大功率變頻器冷卻系統的核心設備是水箱，對于水箱的散熱面積和循環水量需要詳細計算。水箱的散熱面積由經驗公式得到：

式中：Q為換熱系數，W/（m2·℃）；tw為水箱散熱面溫度，℃；to為水箱環境溫度，℃；S為水箱散熱面面積， m2。變頻器冷卻系統循環水的流量由熱平衡方程得到：

式中：P為循環水冷卻散熱功率，W；c為冷卻散熱循環水比熱容，kJ/（kg·K）；q為循環水流量，L/min；ρ 為冷卻散熱循環水密度，kg/m3；為經過冷卻散熱后循環水的溫差，℃。通過實際參數可以解出循環水的實際流量。

2.3 關鍵設備選型與注意事項

大功率變頻器冷卻系統中，馬達離心泵和安全閥是保證其安全高效穩定運行的核心關鍵設備。馬達離心泵由離心泵和內嚙合或外嚙合馬達構成，通過驅動系統使得馬達轉動，實現大功率變頻器冷卻系統中循環水的輸送。馬達離心泵具有效率高、調速范圍寬、尺寸小、零件少等特點。本文所設計的大功率變頻器冷卻系統選用9303C-HM1C 型馬達離心泵。馬達離心泵需要配合安全閥進行工作，根據9303C-HM1C 型馬達離心泵特性和大功率變頻器冷卻系統的運行參數，選取CODE63 型號的安全閥，并且安全閥的流量設定為30 L/min，壓力設定為2.5 MPa。

在大功率變頻器冷卻系統使用過程中，為了保證關鍵設備的安全運行，需要注意以下四點：

1）需要對循環水進行監測，保證運行過程中循環水中無鐵、銅雜質，pH 值為中性，水溫保持30 ℃以下，進水水壓為0.2 MPa；

2）在冷卻系統運行之前需要對循環水流通路徑進行排氣，以防止馬達離心泵工作效率降低導致冷卻系統無法正常工作；

3）具有儲水功能的水箱和循環水流通路徑管道容易出現銹蝕現象，在冷卻系統正式運行前應對其進行磷化處理；

4）變頻箱由于底板需要進行鈍化處理以防止黃銅材料腐蝕，延長冷卻系統使用壽命，保證運行安全。

3 大功率變頻器冷卻系統實際應用

3.1 應用效果分析

某地供熱公司供熱站采用4 臺額定功率為1400kW的大功率變頻器，當變頻器運行時較大的運行電流導致變頻器產生較多熱量，不僅影響變頻器使用壽命，同時產生的熱量也使得能源造成浪費。傳統的冷卻系統多應用空調冷卻系統，其前期投資和運行費用較為昂貴，同時運行穩定性和安全可靠性較差。應用本文所設計的大功率變頻器冷卻系統后，冷卻系統運行穩定，如表1 所示為運行一個月后大功率變頻器冷卻系統的運行參數，可以看出大功率變頻器運行穩定時，冷卻系統可以有效保持變頻器運行溫度。

表1 大功率變頻器冷卻系統運行參數對比

3.2 經濟性分析

若采用空調冷卻方式，4 臺大功率變頻器的功率都為1 400 kW，熱量損失為4%，由此可以計算出單臺變頻器需要的冷卻功率為1 400 kW×4%=56 kW，考慮冷卻裕度1.5 倍，可以得到單臺變頻器需要空調的交換功率最少為70 kW，4 臺大功率變頻器則需要280 kW 的空調交換功率。若單臺空調12 p 的空調為28 kW 的交換功率，則需要安裝10 臺空調，耗電功率116 kW。若單臺空調的安裝投資成本為3 萬元，共需要30 萬元的空調投資。若采用本文所設計的冷卻系統，考慮1.1 倍的冷卻裕度，單臺變頻器僅需63 kW的冷卻系統，一套冷卻系統需投資6 萬元，4 套總計為24 萬元，對比空調冷卻方式設備投資可節省6 萬元。

應用本文所設計的冷卻系統后，冷卻系統耗電功率為17.2 kW，對比空調冷卻方式耗電功率大幅度降低。若按電價0.3 元/kW 且年運行天數8 000 d 計算，一年的耗電量可計算出為137 600k·Wh；若采用空調冷卻方式，運行天數和電價保持一致時一年的耗電量可以計算出為928 000 k·Wh。通過以上計算可知，采用本文所設計的冷卻系統耗電量節省790 000 k·Wh，大約可節省費用23.7 萬元。可以看出本文所設計的大功率變頻器冷卻系統具有良好的經濟應用性。

4 結論

本文針對變頻器采用傳統空調冷卻方式運行穩定性差、成本高的問題，設計了大功率變頻器冷卻系統。首先分析了大功率冷卻系統的工作原理，并以此為基礎對冷卻系統進行了設計，包括變頻器箱設計、參數計算、關鍵設備選型和注意事項。將本文所設計的大功率變頻器冷卻系統應用于某熱力公司，冷卻系統可以有效保持變頻器運行溫度，保證大功率變頻器的安全穩定運行。同時具有良好的經濟性，設備投資可節省6 萬元，同時每年可節省電費23.7 萬元。