煤礦用水循環冷卻一體變頻器散熱設計

郭愛芹　陳培培

摘 要：本文主要進行了如下幾個方面的研究：針對變頻器的最主要功率元器件的熱能損耗的原因進行徹底的分析，通過計算的方法和仿真的方式得出變頻器的主要功率元器件的熱能損耗值。并且用數據分析的方法分析IGBT模塊傳熱過程，建立一個熱傳導的可操作的熱阻數學模型，以便分析出在應用冷板散熱過程中需要重點考慮的相關問題，進而達到設計出的水冷系統對IGBT和整流橋進行散熱的目的。

關鍵詞：變頻器；散熱；設計；煤礦；熱損耗；冷板

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.23.039

0 引言

本文對冷板的散熱性進行了重點分析，應用了必要的熱分析軟件工具，采用數值模擬的方法對能夠影響水冷板散熱器的相關性能的因素進行了深入的研究，分析了幾種處在不同的條件下冷板散熱性能的優劣，并且也注意到了水冷散熱的過程中會出現冷板結露的情況，并對其進行了簡單的分析，總結出可以通過控制冷板的一定的溫度，對冷板結露進行阻止。該設計還精確的計算出水冷系統的壓力損失，將此作為選擇合適的水泵的理論根據，為項目的散熱設計提供可靠的依據。

1 關于變頻器散熱方式的介紹

變頻器的散熱方式跟元器件的功率大小有關，早期大都是采用大功率的元器件進行散熱，其主要操作方法是將大功率的元器件直接安裝在散熱器上，依靠自然的冷卻而達到降溫的目的，這種被稱為空氣自然對流冷卻法。這種方法的特點是結構簡單、成本低，但是散熱的效果比較差，而且非常容易受到周圍的一些環境因素變化的影響，通過自然冷卻散熱的最大面積受限，只能達到0.039W/平方厘米—0.078W/平方厘米[1]。

隨著電子元器件功率的繼續加大，還會采用強迫風冷進行散熱，強迫風冷散熱是一種非常好的散熱方式，它的特點是結構簡單、散熱效果較好。其原理是元器件之間有較大的空間，有利于空氣的流動或者直接安裝散熱器，這樣就可以迫使空氣流過發熱的元器件或者是散熱器來散熱，通過不斷增大冷卻的風量或散熱的面積來達到提升散熱的效果。

但是，隨著熱源熱流密度的不斷提高，具有更大能力和最好效果的水冷散熱裝置被更加廣泛的運用，水冷散熱比以上兩種散熱的方法更具有優勢：一是水強制對流的換熱系數比空氣對流換熱系數要高出很多倍，可以高達10倍[2]。這些對比可以參見表1。二是因為水的比熱容是空的4000多倍，所以，在進行熱量交換的過程中水的溫度上升很慢，進而維持冷板在比較低溫的情況下運行，形成與熱源的比較大的反差，非常有利于進行散熱。而要完成相同的散熱量，水冷于風冷進行比較，還具有所需要散熱的面積和流道截面小的優點，因而可以更大的減少冷板的散熱器的體積，而水冷散熱比風冷散熱還有噪音小、污染小的特點。

2 水冷系統的介紹

水冷散熱是通過水帶動變頻器工作時而產生的熱量，與風冷依賴于散熱器的設計和風道的機箱設計有很大的區別，水冷系統是在一個相對密閉的環境下可以更高效的運用水的比熱容，而且發揮水流動大的特點，將系統元器件熱量迅速的帶走。從而達到更佳的散熱效果。水冷散熱法不僅可以弱化機箱風道的作用，而且有兼顧了靜音和效能這兩個比較難融合的難題。與傳統的風冷變頻器相比，水冷的變頻器的面積更小，但是冷卻的效率更高、機器工作的噪音更低。目前，在國外關于水冷變頻器已經有了非常成熟的產品，如日本生產的大容量水冷式高壓變頻器，還有芬蘭的VACONXP系列水冷變頻器。

3 國內外冷板現狀對照

冷板屬于一種單流體熱交換器，常安裝于電子設備的底座，主要的功能是通過空氣、水或者其他的冷卻媒體在通道中形成強大的對流，帶走電子設備和電子元器件的熱量。相對風冷散熱器而言，冷板具有體積小、重量輕，散熱力強的特點。而針對水冷冷板的設計主要體現在優化冷板尺寸，改變內部流道，從而提高整體的散熱能力。對此，國內外學者都有很深入的研究。

4 降低變頻器的損耗

變頻器是煤礦作業中非常重要的電器，關鍵是解決散熱問題。煤礦一直采用傳統的變頻器風冷散熱方式，這種方式散熱器體積大、效率低。因此為了改善傳統變頻器的這些弱點，通過對運用變頻器的環境和結構要求的分析，把660V/75KW功率的變頻器作為研究主體，對變頻器水冷散熱進行新的設計。隨著電氣化的發展，變頻器在各個行業被廣泛的應用，對于煤炭開采，變頻器更是非常重要的工具，而變頻器在使用過程中最常見的問題就是發熱，而一旦發熱將會加大機器的損耗，嚴重影響機器工作的效率，甚至還容易發生意外，因此，有效的解決變頻器散熱的問題成為一個當務之急。

5 關于冷板結露的解決方法

使用水冷散熱是存在著冷板結露的現象的，而如果不能夠解決冷板結露的問題，那勢必會造成短路，甚至導致變頻器無法正常運行。因此，將變頻器設計成防爆外殼，將冷板安裝在防爆外殼腔體內，變頻器運行以后，腔體內的溫度就會自然升高，如果腔體內的平均溫度是40度，而變頻器的外界環境的濕度是80%，那只要冷板的溫度不低于37度，就不會出現結露現象。

6 結論

本文通過對風冷變頻器和水冷變頻器的各種性能的比較，通過對目前國內外對水冷變頻器現狀的研究，找到了更好的解決冷板結露的問題，從而可以設計出具有更先進水平和更好性能的水冷變頻器，而且，通過數據模型證明這種水循環冷卻一體變頻器具有更好的散熱性能，本文最后通過試驗和仿真結果的相互對比，驗證了該項目中對冷板和整機散熱的數值模擬的結果是非?？煽康?，按照該理論設計的水冷散熱系統完全可以滿足變頻器功率元器件的散熱，達到預期的效果，也達到了項目最終的要求?？梢愿訌V泛的應用在煤礦的開采中。

參考文獻：

[1]向曉玲，商勝，賀繼軍.水冷變頻系統在MMD破碎站上的應用[J]. 露天采礦技術，2015（06）：61-63.

[2]陳慶賀.梭車閉式水冷系統的設計[J].煤礦機械，2014（12）：169-170.endprint