防爆變頻器水冷散熱系統研究

2016-01-31 01:45:33于哲

工礦自動化 2016年1期

于哲

(1.中煤科工集團常州研究院有限公司，江蘇常州　213015；

2.天地(常州)自動化股份有限公司，江蘇常州　213015)

防爆變頻器水冷散熱系統研究

于哲1,2

(1.中煤科工集團常州研究院有限公司，江蘇常州213015；

2.天地(常州)自動化股份有限公司，江蘇常州213015)

摘要：根據井下大功率防爆變頻器的特點，設計了防爆變頻器水冷散熱系統。該系統采用防爆殼體內部散熱風機冷卻+外部循環水系統冷卻的散熱方式，可將水箱中水溫控制在某一范圍內，保證變頻器的進水溫度，從而降低變頻器腔內的發熱量。測試結果驗證了該系統的有效性。

關鍵詞：防爆變頻器；水冷散熱；風冷散熱

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20151231.1559.016.html

Research of water cooling system of explosion-proof inverter

YU Zhe1,2

(1.CCTEG Changzhou Research Institute, Changzhou 213015, China;

2.Tiandi (Changzhou) Automation Co., Ltd., Changzhou 213015, China)

Abstract：According to characteristics of underground high-power explosion-proof inverter, a water cooling system of explosion-proof inverter was designed. The system uses cooling mode of internal fan cooling + external circulating water cooling, can control water temperature in the tank within a certain range, and ensure water temperature of the inverter, so as to reduce calorific value in the inverter. The test results demonstrate the effectiveness of the system.

[WTHZ]Key words[WTBZ]:explosion-proof inverter; water cooling; air cooling

0引言

近年來，隨著自動化技術的發展，煤礦井下用帶式輸送機、刮板輸送機的功率等級越來越高，1 000 kW以上的防爆變頻器也得到了廣泛的應用。但是，隨著變頻器功率等級的提高，元器件發熱問題逐漸凸顯。筆者通過調研發現，現階段大功率防爆變頻器主要通過普通水箱儲水的方式散熱。這種方式在井下溫度較高時，進水溫度可能高于變頻器設定的保護值，容易引起器件的老化。本文通過對普通水箱的改進，將水箱中的水溫控制在某一范圍內，保證變頻器的進水溫度，從而降低變頻器腔內的發熱量。

1井下防爆變頻器散熱方式選擇

目前，防爆變頻器的散熱方式主要有風冷與水冷，可根據變頻器功率大小及煤礦井下的實際情況，選擇相應的散熱方式。

1.1風冷散熱

對于功率較小的防爆變頻器，主要采用強迫風冷的方式散熱，其缺點是需要井下通風條件良好，并且防爆變頻器散熱風機容易吹入煤塵，可靠性相對較低。影響強制風冷效果的一個重要參數是風速，風速越大，散熱器熱阻越小，但流動阻力越大，所以適當提高風速有利于降低熱阻，但風速超過一定值后再提高無多大意義。

1.2水冷散熱

對于功率較大的防爆變頻器，主要采用水冷的散熱方式，水冷散熱效果高，可提高功率器件的穩定性[1]。

1.3強制風冷+強制水冷方式

大功率防爆變頻器殼體內部散熱可選擇軸流風機強制散熱+水循環冷卻。防爆變頻器的外部散熱系統應根據井下具體環境確定，在井下水量及溫度均不能滿足相應要求的前提下，可選擇水箱加制冷系統供水。水箱主要用于供給變頻器循環水，而制冷系統主要用于降低水箱溫度。當水箱內溫度高于某一設定值上限時，制冷系統工作，通過制冷來降低水箱內溫度；當水箱內溫度低于某一設定值下限時，制冷系統停止工作[2]。

2水箱容量與制冷量的計算

根據實際測量，某品牌1 000 kW/3 300 V防爆變頻器的散熱量為40~50 kW，按中間值45 kW計算，則變頻器每小時散熱量Qs=45 kW×3 600 s=162 000 kJ。設計制冷機每小時開停次數為3～4次，水箱內的水溫從下限值15 ℃升高到上限值25 ℃的蓄冷量維持時間約為20 min，則水箱的需冷量Qw=Qs/3=54 000 kJ。根據熱量計算公式可得Qw=4.2 kJ/(kg·℃)×m×10 ℃=54 000 kJ，可得水箱內可容納的水的質量m=1 286 kg，水箱容量V=1.286 m3≈1.3 m3。

為防止變頻器停止使用時變頻器及管路中的水流回水箱內，設計水箱的水容量為水箱內容積的60%，則水箱的內容積約為2.2 m3。

根據煤礦井下相關要求，機組尺寸不能大于3 500 mm×1 500 mm×1 800 mm，根據所選擇的某品牌防爆變頻器的制冷設備體積，可豎向設計外尺寸為1 200 mm×1 350 mm×1 500 mm，保溫厚度為30 mm，內尺寸為1 170 mm×1 320 mm×1 470 mm，即總內容積為2.27 m3。

箱體總面積為

A︱m3=1.2×1.35×2+1.2×1.5×2+1.35×1.5×2=10.89

(1)

傳熱系數K=1.13 W/(m3·℃)，箱體兩側的溫差t=25-15=10 ℃，則箱體隔熱層漏熱量為

Q2︱kW=KAt=1.13×10.89×10≈0.123

(2)

設水箱壁跑冷量為Q1，R為制冷裝置和管道冷損失補償系數，直接冷卻系統取1.07，間接冷卻系統取1.12，本系統采用間接冷卻系統，則R取1.12，總需冷量為

(3)

3水箱的設計

整個防爆變頻器水冷散熱系統分為2個部分：一是氟利昂系統，為水箱中的水降溫；二是水系統，保證水的循環。

3.1降溫原理

防爆變頻器水冷散熱系統主要由壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發器(板式換熱器)組成，用管道將它們連接成一個密封的系統。系統中水溫要求為15～25 ℃，本方案將水降低到15 ℃計算，則氟利昂的蒸發溫度設定在10 ℃，使氟利昂與水有5 ℃左右的換熱溫差，確保水溫可以降低到15 ℃。降溫原理[3]：在蒸發器內處于低溫低壓的制冷劑液體與水發生熱交換，吸收水的熱量并汽化；產生的低壓蒸氣被壓縮機吸入，經壓縮后從高壓側排出；壓縮機排出的高壓氣態制冷劑經過油分離器將冷凍油從制冷劑中分離出來后進入風冷冷凝器，被常溫的空氣冷卻，凝結成高壓液體，高壓液體存入儲液器，根據需冷量的大小供液。高壓液體流經膨脹閥時節流，變成低壓低溫的氣、液兩相混合物，進入板式換熱蒸發器，其中的液態制冷劑在蒸發器中蒸發制冷，產生的低壓氣體再次被壓縮機吸入。如此周而復始，不斷循環。

3.2水循環原理

降溫后的水存入水箱內，經過水泵泵入變頻器的冷卻盤管中；水與變頻器換熱后，將變頻器的熱量帶走，吸收變頻器熱量的水，直接進入水箱與水箱中的冷水混合；水箱中的水溫升高到25 ℃時，制冷機啟動為水箱中的水降溫，降溫后的水進入水箱，如此循環，為變頻器降溫。

水循環原理如圖1所示。

4散熱效果驗證

在環境溫度為30 ℃左右時進行系統測試，控制系統出水溫度在27~29 ℃之間，對變頻器加載至1 MW，連續運行15 h，得出溫度曲線，如圖2所示。由圖2可見，雖然設定系統出水溫度為27~29 ℃，而變頻器檢測出的進水溫度略高于該溫度，但不影響整體運行。通過水冷散熱系統，控制變頻器腔體溫度不高于50 ℃[4]，有效降低了變頻器各器件的發熱量，提高了各器件的可靠運行能力。