高壓變頻器冷卻方式的改進應用

王川江

（新疆昌源水務集團有限公司，新疆 昌吉 830000）

高壓變頻器冷卻方式的改進應用

王川江

（新疆昌源水務集團有限公司，新疆 昌吉 830000）

根據新疆五彩灣二級供水工程當地工作人員對變頻器運行過程中出現的問題的描述反饋，及設計技術人員現場的實地考察，確定高壓變頻器風道開放式冷卻方式在實際工程中存在缺陷。通過對比分析現今國內外主流的變頻器冷卻方式的不同原理和應用條件，及實驗室多次仿真模擬試驗，找出適合新疆五彩灣當地環境條件和技術條件下的最佳變頻器冷卻方式——空-水冷冷卻方式，并在五彩灣二級供水工程一級泵站中進行實際應用改進。

供水工程 高壓變頻器 冷卻散熱 風道開放式冷卻 空-水冷冷卻

0 引言

高壓變頻器在市政供水工程中的實際應用越來越廣泛。因此，對其穩定性能的要求也越來越高，而冷卻散熱則是影響變頻器穩定性能的重要指標。本文結合新疆準東五彩灣供水工程二級泵站中風道開放式冷卻實際出現的問題，對一級泵站變頻器冷卻方式進行改進，保證變頻器運行中的穩定性能。

1 工程分析

1.1 工程概述

五彩灣二級供水工程位于新疆準東煤電煤化工產業帶五彩灣工業園區，近期建設規模8 700萬m3/年，遠期建設規模13 000萬m3/年。供水系統從五彩灣蓄水池分水口引水，供水干管沿規劃的五彩路敷設至湖北宜化公司五彩灣部，管道總長約19 km，途經各企業時預留分水口。系統共設二級加壓泵站。第二級加壓泵站已于2011年投入運行，其總裝機容量為4×2 000 kW。泵站近期裝設3臺泵組（2用1備），遠期增加1臺泵組（3用1備），設計流量參數為3.860 m3/s，揚程118 m。一級加壓泵站目前已設計施工完畢，近期裝2×2 000 kW +2×1 000 kW泵組（3用1備），設計流量為2.759 m3/s，遠期增加1臺2 000 kW泵組（4用1備），設計流量為4.122m3/s，揚程96m。一級泵站和二級泵站所有泵組高壓電機均采用變頻方式運行。

1.2 問題分析

通過現場工作人員每日的實測記錄和觀察發現，二級加壓泵站自運行以來出現的問題匯總如下。

①高壓變頻設備故障率比較高，尤其是在夏季高溫季節，機組設備跳閘頻繁，經常進行維護和翻修。

②變頻器室風沙較大，地面上經常有很重的灰塵和細小顆粒，雖然后期及時安裝防風百葉窗，但仍然解決不了問題。由于變頻器散熱等原因，其防護等級一般不超過IP2X，房間內灰塵極易附著在變頻器內，對變頻器產生極大的安全隱患。

對問題一進行分析。高壓變頻器最大散熱功率一般是變頻器額定功率的4％，即3×2 000×4％=240 kW。同時，考慮到在夏天高溫季節且在供水高峰期階段，加上二次風機及房間的散熱，散發的熱量預計可到300 kW。變頻設備散發的熱量大且不能及時冷卻降溫，當變頻器設備處于溫度異常狀態運行時，報警信號自動跳閘進行自我保護。所以問題一出現的主要原因是變頻器設備冷卻效果不好，熱量散發不出去［1］。

對問題二進行分析。新疆五彩灣地處戈壁荒漠地帶，屬中溫帶大陸性干旱氣候，最高/低氣溫：+41.2/－49.8℃，常年多風，風力一般為4～5級，經常有7～8級大風，最大可達10級以上，且地處戈壁灘，風中含沙塵較多。變頻器熱風經風道排出后，變頻器室產生負壓，風沙灰塵會同冷風一起從進風口進入變頻器室，從而進入變頻柜。雖然采用防風沙百葉窗進行改良，但是由于房間負壓進風，外界風沙過大，依然無法解決細小灰塵的進入，解決不了實際問題。所以問題二出現的主要原因是冷卻裝置進風口直接排向室外，受到外界環境影響較大［2］。

綜上所述，兩個問題均是由變頻器冷卻方式引起。供水工程二級加壓泵站變頻器采用的是風道開放式冷卻，這種冷卻方式直接在變頻器墻壁上開通風口，冷風經變頻室通風入口濾網進入變頻器，對機體冷卻后再由變頻器風道出風口將熱風排出［3］。雖然這種冷卻方式安裝簡單，費用低廉，但是這種冷卻方式直接將入風口、出風口開向外界環境，高壓變頻器運行的穩定性受泵站周邊地區環境影響較大。

風道開放式冷卻過程如圖1所示。

圖1 風道開放式冷卻過程Fig.1 Air duct open type cooling process

2 工程改進

結合當地環境條件及所述原因，必須對五彩灣供水工程一級泵站高壓變頻器的冷卻方式進行改進。目前，國內高壓變頻器常用的冷卻方式主要有4種：風道開放式冷卻、空調密閉冷卻、空-水冷密閉冷卻、設備本體水冷卻［4］。

其中，風道開放式冷卻不適用于環境條件特殊的五彩灣地區。空調密閉冷卻顯然是通過空調降溫對室內環境及變頻器進行降溫。通過分析，變頻器室產生的熱量高達 300 kW，而1P空調的制冷量大約為2.3 kW，采用空調密閉冷卻需要空調設備，成本太高，不太現實。設備本體水冷卻雖然冷卻效果好，但水循環系統工藝要求高，安裝復雜，維護工作量大，而且一旦漏水，會帶來安全隱患。一般不建議采用設備本體水冷卻方式。下面詳細介紹空-水冷冷卻方式。

2.1 空-水冷冷卻原理

空-水冷冷卻是將水作為冷卻介質在熱交換器內流動，而被冷卻的風（空氣）在熱交換器外流動，通過流動進行冷卻。從變頻器出來的熱風連接到散熱器，熱風經散熱片后將熱量傳遞給散熱片中的冷水，變成冷風吹出，熱量被循環冷卻水帶走，保證變頻器控制室內環境溫度不高于40℃［5］。

空-水冷冷卻采用獨立封閉冷卻裝置，變頻器通過專門管道與冷卻裝置相連接。它的冷卻循環分為外循環過程（風路）和內循環過程（水路）兩個過程。

①外循環過程（風路）

變頻器柜和功率柜內產生的熱空氣進入風道管，通過風道管進入空水冷卻裝置；空水冷卻裝置進行冷卻后的冷空氣再次進入變頻器和功率柜，對變頻器進行冷卻，產生的熱空氣再次進入風道管，如此循環進行冷卻［6］。

空-水冷風路循環過程示意圖如圖2所示。

②內循環過程（水路）

內循環過程主要是針對空水冷冷卻裝置內部的循環，是空-水冷冷卻裝置的原理過程。溫度比較低的冷卻水由空-水冷冷卻裝置進入換熱器，通過換熱流出；而被加熱的冷卻水流到冷卻塔進行冷卻，經冷卻降溫的冷卻水經水泵再次進入換熱器對循環空氣冷卻，如此循環［7］。

空-水冷水路循環過程示意圖如圖3所示。空-水冷冷卻方式設備應用技術在國內處于領先地位，它具有如下特點：

①安裝簡單、快捷，故障率低；

②采用專用管道冷卻，不受外界影響；

③通過內部循環冷卻，空氣比傳統直接外界通風冷卻清潔，濾網免清洗周期長，變頻器維護量低；

④冷卻水管線不在柜體高壓區內布置，可防止漏水等危及高壓器件的運行。

通過分析比較4種冷卻方式，五彩灣供水工程一級泵站高壓變頻器最適合的冷卻方式是空-水冷冷卻。

2.2 空-水冷冷卻應用

本工程一級加壓泵站變頻器共有4臺變頻器機組（2×2 000 kW+2×1 000 kW），每臺配置一套空水冷卻裝置，4臺空水冷裝置的進出水口并聯在總進出水管上。單臺變頻器故障時，可以啟動備用變頻器，不會對冷卻裝置產生影響。

空-水冷冷卻水需要滿足以下幾個條件。

①現場必須有提供工業冷卻水的條件，且水溫不能高于30℃。

②冷卻系統換熱器入口水壓及回水水壓必須滿足以下數值范圍：入口水壓0.3～0.6 MPa，回水壓力0.08～0.15MPa。

③冷卻水要求pH值大于7.2，水質沒有大的懸浮物和雜質等。

④冷卻水的循環冷卻水量≥90m3/h［8］。

在工程現場進行安裝時需要采用以下措施。

①變頻器與熱交換器需要分開兩排布置，兩者安裝間距必須相隔2m以上。熱交換器柜需要設置排水溝，防止冷卻水漏水。同時，可以收集冷卻凝結水，避免漏水或者管道破裂等引起安全事故發生。

②在總的進水口、出水口必須設置蝶閥。為了保證流量要求，管道的管徑必須通過計算確定，通過計算為DE140管材。

③為實現自動監測各指標數據，及時發現并解決問題，在總進水口設置流量檢測儀、壓力檢測儀、溫度檢測儀等儀表裝置［9］。

五彩灣供水工程一級泵站施工已經完成，通過試運行檢驗及現場溫度測試發現，設備運行正常，沒有出現變頻器高溫跳閘現象；室內環境衛生干凈，沒有出現風沙灰塵多的現象。由此可知，相比風道冷卻，空-水冷冷卻的效果令人滿意，但運行是否存在其他問題有待泵站長時間運行檢驗。

與已經運行的二級泵站中的風道冷卻方式相比，實際工程一級泵站中的空-水冷冷卻具有以下優點。

① 空-水冷冷卻采用室內密閉冷卻方式，干凈衛生，變頻器維護量低。

②空-水冷冷卻無需清潔濾網，只需要定期（每隔一年或更長時間）清洗管道［10］。

③ 如果發生事故，空-水冷冷卻方式可緊急采用自然通風冷卻，不會影響設備，降低事故發生幾率。

雖然空-水冷冷卻裝置設備投資和運營費用比風道開放式冷卻高，但考慮到實際工程中必須追求長遠期的綜合效益。從五彩灣的環境特點、供水的長期穩定性和生產效益來看，空-水冷冷卻方式在新疆五彩灣供水工程中均具有明顯的優勢。

3 結束語

通過4種不同冷卻方式的深入分析，以及在實驗室的模擬仿真對比，充分顯示出空-水冷冷卻方式在環境條件惡劣地帶應用中的明顯優勢，其應該在惡劣環境及大功率產品中得到廣泛的應用。結合五彩灣二級供水工程所處地域環境、設備安全、綜合效益等多方面因素考慮，空-水冷冷卻均具有明顯的優勢，它在實際應用中避免了外界環境影響，提高了產品的安全穩定性能，節約了二次能耗和維護成本，綜合效益得到很大的提高。另外，這種通過實際工程后的評價對其他相同環境的類似項目進行改進的方式，具有非常重要的現實意義，極大地節約了工程的成本。

［1］戴至前.大功率變頻器的冷卻問題［J］.變頻器世界，2012（8）：81－83.

［2］代續續，劉奇，宋昊明.變頻器冷卻系統改造［J］.機械研究與應用，2013（1）：109－111.

［3］仲明振.低壓變頻器應用手冊［M］.北京：機械工業出版社，2009.

［4］孟曉芳.變頻器應用與維修［M］.北京：機械工業出版社，2011.

［5］胡建輝，李錦庚，鄒繼斌，等.變頻器中的IGBT模塊損耗計算及散熱系統設計［J］.電工技術學報，2009，24（3）：159－163.

［6］李文頂.中壓礦用變頻器主電路損耗分析及散熱設計［D］.上海：上海交通大學，2009.

［7］黃煒，何人望，周瑜.高壓變頻器散熱系統的研究與設計［J］.華東交通大學學報，2006，23（5）：105－108.

［8］趙曉軍，余莉.熱管的電子設備冷卻技術［J］.世界科技研究與發展，2007，29（6）：19－23.

［9］黃碧霞，陳陽生.一種三相逆變器損耗分析方法［J］.微電機，2009，42（9）：49－52.

［10］張植保.變壓器原理與應用［M］.北京：化學工業出版社，2007.

Improvement and Application of the Cooling Mode for High Voltage Inverter

In accordance with the problems reflected by the local operators and the field investigation of the designing technicians for the inverters in Xinjiang Wucaiwan secondary water supply project，the defects are found in high voltage inverter air duct open type coolingmode.Through analyzing the different principles and operation conditions of the coolingmodes thatmostly and globally used for inverters，and testing by simulation，the best coolingmode of the invertermostly suitable is found for environmental conditions and technical background of Xinjiang Wucaiwan，i.e.，air-water coolingmode.The practical improvement is conducted in primary pumping station of this secondary water supply project.

Water supply project High voltage inverter Cooling and dissipating Air duct open type coolingmode Air-water coolingmode

TU85

A

修改稿收到日期：2014－02－17。

作者王川江（1966－），男，2001年畢業于首都經貿大學經濟管理專業，獲碩士學位，高級工程師；主要研究方向為水利水電工程技術及應用。