中高壓變頻器冷卻方案比較和選型分析

王永鑫

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海200092）

中高壓變頻器冷卻方案比較和選型分析

王永鑫

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海200092）

摘要：隨著電力電子器件的發展，性能優異的中高壓變頻器在各行各業中得到越來越廣泛的應用，能否處理好變頻器的散熱問題是其長期穩定運行的關鍵。分析了中高壓變頻器熱量產生來源，并從技術可行性、可靠性、經濟性等角度對不同冷卻方案的特點進行比較，并結合實際的工程案例，給出合理的變頻器冷卻方案選型建議，可作為工程電氣設計時中高壓變頻器冷卻方案選型參考。

關鍵詞：中高壓變頻器；冷卻方案；比較分析；選型建議

1　引言

隨著中高壓變頻器使用率的增加，變頻器如何長期穩定運行也成為客戶非常重視的問題，而變頻器的散熱問題對整個變頻器系統的長期穩定運行起著非常關鍵的作用。因為高壓變頻調速系統雖然是一種非常高效的調速裝置，但是在運行中，仍然有2%－4%左右的損耗，該損耗都變成熱量，最終耗散在大氣中。這些熱量必須從裝置中排除才能保證其溫升不至于過高而影響正常運行。因此，中高壓變頻器的通風系統需針對不同的現場應用環境進行配套設計。如何把這些熱量順利地從變頻器中帶出來，是變頻器設計中一個非常重要的問題［1］。

2　變頻器熱量來源

中高壓變頻器發熱一般由以下三部分組成［2］。

一是變壓器和電抗器，變壓器和電抗器由于主回路的大電流必然產生銅耗和鐵耗，而該部分損耗80－90%通過發熱釋放。這部分發熱量大約為電動機功率的0．5－1．5%，采用電抗器發熱量大約為0．5%，采用變壓器發熱量大約為1．5%。

二是變頻器的功率器件損耗，IGBT、SGCT、IGCT等功率器件由于高頻開關切換和導通壓降等產生開關損耗和低通損耗。這些損耗大約為電動機功率的2%。

三是變頻器控制部分損耗，包括控制電源、控制板件，驅動功率器件的驅動電源及其他冷卻風扇或者冷卻水泵。這部分產生的熱量相比較前兩項可以忽略不計。

圖1　風道循環散熱示意圖

3　冷卻方案比較

中高壓變頻器冷卻系統方案選擇的好壞直接影響后期變頻器運行質量，因此選擇合適的冷卻方式成為前期設計工作的一個重點。目前主流的中高壓變頻器內部冷卻方式主要為風冷和水冷。風冷是通過風機的冷風流過散熱片的方法將功率開關元件上熱量帶走進行冷卻。風冷沒有其他的附加設備，只有風機。按照對熱風處理上的不同，風冷又可分為強迫風冷、空調密閉冷卻和空－水冷卻三種方式。下面對幾種冷卻方式進行分析比較［3］、［4］。

3．1強迫風冷

強迫風冷冷卻方式結構簡單，施工方便，便于維修，缺點是噪聲大，冷卻效率低，維護量大，必須在控制室中配置足夠大的通風設備來將熱風排至控制室之外。強迫風冷適用于設備功率較小的場合，而且其運行穩定性依賴于當地環境，對空氣潔凈程度要求高。

強迫風冷冷卻方式根據變頻器有無獨立的散熱風道可細分為風道循環散熱、空氣循環散熱兩種。

3．1．1風道循環散熱

變頻器出風口安裝風道，將出口熱空氣引到變頻器室外。此方式的優點是設備投資少，只需要安裝變頻器出風口風道及進風口過濾網，維護簡單。缺點是使用環境受限，進風口過濾網需要經常維護。如圖1所示為風道循環散熱示意圖。

3．1．2空氣循環散熱

變頻器冷卻系統不做任何改動，用排風機增大變頻器室的空氣流動速率，熱空氣迅速排出。此方式的優點是不改動變頻器冷卻系統，只需用風機控制室內溫度。缺點與風道循環散熱相同。空氣循環散熱所需流量只需保證室內溫度低于40℃，所需的空氣流量相比于風道循環散熱要低，空氣過濾更容易，但要避免熱空氣局部聚集。

3．2空調密閉冷卻

765 Anti-breast cancer activity of ebracteolatain A

空調密閉冷卻方式主要是為中高壓變頻器提供一個固定的具有隔熱保溫效果的房間，根據中高壓變頻器的發熱量和房間面積大小計算出空調的制冷量，從而配備一定的空調，其示意圖如圖2所示。采用室內密閉冷卻方式，施工簡單，維護量低。由于變頻器排出的熱風并沒有全部被空調用于熱交換，且空調排出的冷風不是全部進入變頻器實現降溫，因此，該冷卻系統熱交換效率通常只有70%左右。在考慮冷卻設備的熱交換功率時，結合極限運行情況下的發熱量和系統交換效率，空調的容量設計計算裕度為1．2－1．3倍才能夠符合系統安全運行的要求。

3．3空－水冷卻

空－水冷裝置類似于空調，示意圖如圖3所示，在水管上鑲嵌散熱片，在水管內通入冷水，冷水的流量足夠大，保證散熱片較低的溫度。變頻器的熱風經專用風道直接通過空冷裝置進行熱交換，由冷卻水直接將變頻器產生的熱量帶走，經過降溫的冷風排回至控制室內。因此，其風路循環效率得到極大提高，風路循環效率接近99%。空－水冷卻方式冷卻效果與空調密閉冷卻方式類似，不同的是前者通過吸收設備發熱而達到控制中高壓變頻器室內環境的目的，而后者是通過冷卻房間后才能冷卻設備，對變頻器而言，空－水冷卻方式效果更直接。

空－水冷設備整體結構組件可安裝在變頻器室外，其運營成本較低，變頻器維護量低，但對現場冷卻水水質有特殊要求。考慮到極限運行情況下的發熱量，以及水溫偏高、系統交換效率等因素，空－水冷卻系統容量設計裕度通常選擇為1．15－1．2倍。空－水冷卻系統的運營成本是同等熱交換功率空調冷卻方式的1／4－1／5。冷卻電耗指標遠遠低于空調冷卻，避免了能源節約的二次浪費。相比較于空調密閉冷卻方式，空－水冷卻散熱方式變頻器除塵濾網的清洗周期可由原來的7－15天，延長到30－45天，大大降低了維護人員的工作強度。

3．4設備本體水冷

當變頻器功率更大或風冷無法滿足散熱要求時，需采用設備本體水冷方式，示意圖如圖4所示。變頻器設備本體水冷系統對中高壓變頻器功率柜直接進行冷卻，與中高壓變頻器功率柜一體化設計，能夠保證功率柜始終處于25－35℃運行環境，大幅度延長濾網更換周期，減少現場維護量。通常情況下，設備本體水冷容量設計裕度選擇1．2－1．3倍。其散熱效果顯著，變頻器室基本無噪聲，更為安靜、清潔；但水冷系統比較復雜，設備投資很高，且水冷系統本身的可靠性會對整個變頻器系統造成影響。

圖2　空調密閉冷卻示意圖

圖3　空－水冷卻示意圖

4　冷卻方案選型分析

如何在風冷和水冷兩者之間進行選擇，各個廠家均有不同的看法，但比較統一的說法是看變頻器的功率和采用的開關元件。功率不大的變頻器采用風冷就能滿足要求，在功率非常大時，需采用水冷方式。而這個功率大小的分界為多少，每個廠家的標準也不一樣。這與變頻器開關元件的選擇及整體工藝的設計都是有關系的。

水冷方式需要在散熱器中通水，利用水流帶走熱量，因為變頻器中的散熱器一般都有不同的電位，要做好冷卻水回路和電氣回路的絕緣，因此必須采用絕緣強度較好的水，一般采用去離子水，它比普通蒸餾水的離子含量還要低。因此要求冷卻水系統內要增加一個水處理系統，加大了冷卻系統的復雜程度。另外，在水路的循環系統中，一般還要加離子樹脂交換器，將散熱器上的金屬離子不斷地溶解到水中。

從散熱的角度來說，水冷的效果是比較理想的。但是，水循環系統工藝要求高，安裝復雜，從長遠來看維護工作量大。因為水管及密封材料壽命有限，尤其是在高溫環境中，會加速產品的老化程度，短期內可能沒有任何問題，但隨著時間的增加，長時間工作后產品可靠性降低。一旦漏水，會對設備帶來非常大的危害甚至是致命性的破壞。有些廠家的中高壓變頻器功率不是很大的情況下仍然采用水冷方式，主要是因為這些廠家采用了高開關阻抗的開關器件，器件開關損耗高，風冷方式中的散熱片無法滿足散熱要求，必須采用水冷方式。

強迫風冷、空調密閉冷卻或空－水冷裝置這三種風冷方式也各有利弊。強迫風冷成本低廉，但是室內密封性太差，容易使灰塵進入，影響散熱，增加維護量；空調密閉冷卻維護量最小，室內密封性好，但運營成本較高；空－水冷裝置兼顧以上兩點，密封性好，成本適中。如果用戶現場有冷卻水，且能保證循環水的溫度低于33℃，一般推薦用戶采用空－水冷裝置。

綜合比較，中高壓變頻器四種冷卻方式對比如表1所示。

圖4　某廠商設備本體水冷系統示意圖

表1　中高壓變頻器四種冷卻方式對比

5　實例分析

通常，決定客戶選用何種冷卻方式的主要因素是投資回報率的問題，以下針對某工程實例，僅從經濟性角度進行比較。該工程水泵機組功率為3200kW，強迫風冷方式已不能滿足散熱要求，而空調密閉冷卻、空－水冷卻和設備本體水冷均能滿足。為方便計算比較，此處按下列條件進行簡化：變頻器運行效率為96%；功率模塊和變壓器損耗均為2%；變頻器室面積60m2；空調房間制冷量按180W／m2計；空調能耗比＝制冷量：網側電耗＝2．5。三種冷卻方式的經濟性對比分析如表2所示，可以看出，設備本體水冷系統初期投資最大，年綜合運行成本最小；而空調密閉冷卻系統初期投資最小，但年綜合運行成本遠高于其他兩者；空－水冷冷卻系統介于兩者之間，整體經濟效益較好。

表2　三種冷卻方式經濟性對比分析

6　結束語

本文從技術可行性、安全可靠性、經濟性的角度對中高壓變頻器的冷卻問題進行了綜合分析，并結合具體工程實例對比分析了三種冷卻方式的經濟性。空－水冷卻、設備本體水冷方案需要在設計時充分考慮好附加設備故障、可維護維修等安全防護問題，在初始設備一次性投資上遠高于強迫風冷和空調密閉冷卻方案。而與空調密閉冷卻方式相比，通常系統運行幾年節約的電費可收回投資。在凈水廠等現場冷卻水環境較好的情況下，空－水冷、設備本體水冷系統可以和大功率電機共用外部冷卻水循環裝置，從而減少投資。然而，選擇何種變頻器冷卻方式，除了從以上角度進行分析比較以外，還需要根據現場實際情況和客戶特殊要求靈活選擇不同的冷卻方式或其組合，以達到最優的節能運營效果。

參考文獻：

［1］張選正，顧紅兵．中高壓變頻器應用技術［M］．北京：電子工業出版社，2007．

［2］賈炳琦，董斌，蔡引兄．高壓變頻器的通風與散熱設計［J］．電氣傳動自動化，2013，35（5）：60－62．

［3］夏俊利．高壓大功率變頻器的兩種冷卻方式比較［J］．華北電力技術，2009，8：52－54．

［4］呂澤玉，劉軍祥．凝結泵高壓變頻器幾種冷卻方式的可行性論證［J］．變頻器世界，2008，9：65－67．

作者信息：

王永鑫（1983－），男，工程師，現就職于上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，主要從事市政電氣工程設計和技術管理。

中圖分類號：TM433

文獻標識碼：A

文章編號：1005—7277（2015）03—0047—05

收稿日期：2015－01－05

Comparison and selection of cooling scheme for medium－high voltage frequency converter

WANG Yong－xin

（Shanghai Municipal Engineering Design Institute（Group）Co．，Ltd．，Shanghai 200092，China）

Abstract：With the development of power electronic device，the medium－high voltage frequency converter with excellent performance is widely applied in many kinds of industries．To deal with the heat dissipation problems well or not is the key to its long－term stable operation．The sources of heat generated in the medium－high voltage frequency converter are analyzed，and the characteristics of different cooling schemes are compared from the aspects of technical feasibility，reliability and economy etc．Combined with the actual projects，the reasonable suggestions of medium－high voltage frequency converter cooling scheme selection is put forward．It can be used in the electrical engineering design when choosing from different cooling schemes of medium－high voltage frequency converter．

Key words：medium－high voltage frequency converter；cooling scheme；comparative analysis；selectionsuggestions