變頻器水冷循環系統在電鏟中的設計應用

劉國宏，楊 威

應用研究

變頻器水冷循環系統在電鏟中的設計應用

劉國宏1，楊 威2

（1. 神華準能集團有限責任公司設備維修中心，內蒙古鄂爾多斯 010300；2. 武漢長海高新技術有限公司，武漢 430000）

電鏟變頻器普遍采用風冷冷卻方式，存在散熱效率低、噪音大、占用空間大、容量小等問題。本文提出了變頻器水冷冷卻方法，并重點介紹了某電鏟水冷變頻器水冷設備的設計方法和流程，解決電鏟變頻器風冷散熱效果和環境應用等問題，推動水冷變頻器在礦山領域的應用。

礦用變頻器 水冷散熱 電鏟

0 引言

變頻器作為露天礦山中半連續和間斷開采工藝的大型礦用機械式挖掘機（俗稱“電鏟”）主要電氣驅動設備，其性能和維護周期直接影響電鏟生產效率，進而影響礦山的整體經濟效益。由于變頻器在使用過程中，其內部功率元件的功率損耗產生大量的熱，使變頻器由于高溫停機保護或故障，嚴重影響電鏟的生產效率[1]。根據10℃法則[2]，降低變頻器器件溫度，可提高礦用變頻器的可靠性及其使用壽命，因此需要對礦用變頻器室降溫設計。

本文介紹了礦用變頻器常用冷卻方式優缺點，從變頻器應用環境及電鏟空間利用的情況，對變頻器的損耗元器件以及整機或系統采用合適的冷卻技術和結構設計，在熱損耗元器件至外界環境之間提供一條低熱阻的熱流通道，保證熱量迅速傳遞出去，以對它們的溫升進行控制，從而保障變頻器設備正常、可靠工作。同時展開了用于高壓變頻器水冷裝置選型與計算方法的研究，為礦用變頻器元器件散熱提供可靠的技術保障。

1 變頻器冷卻方法選擇

礦用變頻器的冷卻散熱方法主要有自然冷卻散熱、空調制冷散熱、強迫風冷散熱、水冷散熱等方式。

自然冷卻散熱是由換熱元件本身導熱、自然對流或者輻射換熱出去[3]，其優點是成本低；缺點是散熱需要一定空間，且效果有限。

空調冷卻是通過對整個電氣室溫度降溫，再由變頻器軸流風機將環境中冷空氣經變頻器柜門板上的過濾器抽入到變頻器內部，途經變頻器內部的通風散熱通道，再由變頻器柜頂端風罩通風口排出，達到降溫目的；此種冷卻適用于中小功率變頻器，優點是室外和室內沒有空氣流通交互，電氣室內環境清潔，缺點是空調維修和運行費用較高，所需空間較大。

強迫風冷主要應用在熱流密度比較大，溫升要求比較高的設備中，目前礦用電鏟搭用的西門子變頻器主要以強迫風冷的散熱方式為主流。電鏟頂部搭載一套大功率通風除塵裝置，將電鏟外部空氣經過濾筒過濾后分別送入到電鏟的電氣室和機械室。然后由變頻器內部風機吸入，經過變頻器內部風道使相關元器件降溫散熱，與熱空氣混合后經變頻器柜頂部的集中導流罩排到電鏟室外環境中。強迫風冷的優點是結構簡單，投資成本和運行成本低。缺點是通風除塵裝置體積大，噪音大，安裝和運輸困難。同時隨著變頻器快速發展，風冷已不完全滿足變頻器容量增大要求。另由于在礦山工況中，環境中粉塵含量較高，需要頻繁更換通風除塵中過濾裝置。

水冷散熱換熱方式有水-風換熱和水-水換熱,水-風熱交換是由水冷裝置的動力源將管道中冷凝液壓入到變頻器中元器件下的冷凝板管路中，后由水冷系統中的動力將變頻器的熱流壓入到水風換熱器，再由水風換熱器的風機將熱量帶走，水-水熱交換是將熱流直接排到外水中。水冷方式的散熱效率較高，對流換熱系數等于空氣自然冷卻換熱系數的150～300倍，是風冷方式換熱系數的50～70倍。水冷散熱優點是效率高、可靠性高、維護次數少、運行費用低，缺點是硬件成本較高。

2 變頻器冷卻系統設計

2.1 變頻器發熱元器件及散熱方式

變頻器系統中主要發熱部件為功率模塊、電阻、電抗器等。功率模塊安裝在銅制（或鋁制）水冷散熱基板上，使變頻器運行時產生的熱量傳遞到散熱基板上，然后再由流過基板內部的冷卻介質將產生熱量帶走。電阻水冷分為直接水冷和間接水冷兩種方式，直接水冷式是用純水浸泡電阻，方法簡單而且效率高；間接水冷式電阻安裝在水冷板上，與功率模塊冷卻方式相同。電抗器也分為直接水冷式和間接水冷式。直接水冷式是純水從電阻的空心銅管穿過，帶走電阻運行產生的熱量；間接水冷式電抗器是由電抗器運行產生的熱量由繞組和鐵芯傳遞給水冷板，再由冷卻水將熱量帶出，此冷卻水可采用普通工業淡水。對于發熱量較小的電抗器，可以采用強迫風冷方式散熱。

2.2 變頻器冷卻系統的組成及工作原理

圖1 變頻器冷卻系統原理示意圖

如圖1所示，變頻器冷卻系統主要由主循環支路、補水支路、囊式水箱、熱交換器、測量裝置、控制系統等組成。整個系統由主循環水泵提供動力，冷卻介質通過熱交換器，液體介質攜帶的熱量在熱交換器風機作用下快速散入大氣，冷卻液再回到循環泵，周而復始形成一個閉環回路。

1）主循環支路。主循環支路由兩臺循環水泵、熱交換器、氣水分離器、變頻器等組成。從變頻器流出的冷卻介質經過氣水分離器，進入循環水泵加壓，到熱交換器。熱交換器將所攜熱量排到外部環境，冷卻介質降溫后再次進入變頻器吸收熱量后重新返回。如此周期性運行，形成閉合冷卻循環回路

2）排氣支路。排氣裝置由氣水分離器、自動排氣閥組成。初次注入冷卻介質后，管路中冷卻介質可能溶解少量氣體。內冷水遇熱導致水中溶解的氣體在運行后由于溫度升高，冷卻介質中氣泡排出。若冷卻介質中產生的氣泡過多，會影響水冷循環冷卻效果，不利于系統的安全穩定運行，在管路最高處設置氣水分離器可分離出冷卻介質中的氣泡。冷卻介質進入到氣水分離器后，由于壓力的變化，水中的氣泡與水分離，氣泡上浮和聚積在氣水分離器的上部。待氣體聚積達到位于氣水分離器上自動排氣閥的設定壓力后自動排氣閥自動開啟排空，而經過除氣后的循環冷卻介質經過循環水泵進入主循環回路。

3）補水支路。補水支路由補水箱、補水泵、膨脹水箱等組成。當冷卻系統中的循環系統因排氣或泄露等原因減少壓力降低時，膨脹罐的罐體與水囊之間壓力發生改變，水囊中的純水就會自動進入管道中，保證系統穩定運行。當水囊中的水量下降至設定位置，補水泵自動起動，將補水箱重點冷卻水注入到水囊中，壓力達到膨脹罐設定值后，補水泵停止運行。

4）熱交換器。根據水源、損耗功率大小以及氣象資料（環境溫度等）來確定熱交換器的形式，當換熱容量在20 kW以上，而且水源比較豐富時，可采用水-水熱交換器，水源較缺（如移動設備），可采用水-風熱交換器。水-水熱交換分為板式水-水熱交換器和管式水-水熱交換器，其中板式水-水熱交換器優點是效率高，缺點是耐壓低和流阻大。而管式水-水熱交換器的耐壓高和流阻小。設計熱交換器時，為確保系統正常工作，一般采用一備一用兩臺并聯形式。

5）測量裝置。在水冷循環系統中循環泵入水口和出口應安裝溫度傳感器和壓力傳感器。其中溫度傳感器用來測定變頻器進水口和回水口的溫度，以確定冷卻介質是否滿足變頻器進水和換熱器進水要求；壓力傳感器用來測量電鏟變頻器進出口壓力，要求被冷卻設備的冷卻介質的壓強在0.25 MPa～0.40 MPa安全范圍內。通過對水冷循環系統的溫度、壓力信號進行檢測，控制系統根據檢測結果反饋采取相對應措施，以保證水冷循環系統正常進行。其中測量信號采用總線傳輸方式，具有較強的抗干擾能力，能適應強的電磁場環境，提高檢測數據可靠性。

6）控制系統。變頻器冷卻系統配有模數轉換單元、觸摸屏、各種在線變送器組成的自動化控制系統。觸摸屏顯示冷卻系統各項運行參數，參數超標時顯示各項報警信號和跳閘信號，并可將這些數據通過RS485或開關量上傳給上位機;

3 某電鏟變頻器水冷循環系統設計

3.1 電鏟變頻器配置

某電鏟變頻器置于電氣室內，呈兩側相對放置狀態。變頻柜裝置主要由逆變柜、整流柜、濾波柜、制動柜等并柜組成。左側并柜額定工作條件下功率模塊總損耗為50.508 kW；右側并柜額定工作條件下功率總損耗為53.31 kW。

3.2 電鏟變頻器冷卻原理

圖2為該項目水冷變頻器的水冷系統原理圖。由圖2可知，該水冷循環系統主要有變頻器的進水支路、回水支路、補水之路等組成。礦用變頻器內部功率元器件由管路中冷卻介質冷卻。冷卻介質在循環泵壓力作用下，進入到循環泵，再由泵出口流出經過止回閥，流入到水－風換熱器中。此時液體介質攜帶的熱量在水－風換熱器風機作用下快速散入大氣，使冷卻介質溫度降低到變頻器允許的進水溫度，達到電鏟變頻器降溫的效果。

本水冷循環系統設計有兩套冷卻水循環泵，采用一備一用設計，避免長期使用單循環泵造成冷卻系統失效。水冷循環系統管路焊接采用的是氬弧焊工藝，焊接完成后需清洗和試壓，確保管路不滲漏。在管道系統中設計有壓力表、壓力傳感器、溫度傳感器、安全閥等電子元器件，對整個循環系統起監測和保護作用，同時在管路的最高位置設計汽水分離發無縫管，在無縫管上安裝自動排氣閥，使管路中的氣水能自動的分離并排除管路系統外，確保冷卻介質泄漏量最少；在管路最低位置應設置了排污口、緊急排放口等。設計水冷循環系統時應該考慮檢修、維護及保養，保留有足夠的檢修空間。

由于電鏟水冷變頻器的工作溫度為-20℃～45℃，為防止水冷循環冷卻介質在溫度極低下失效，應配比使用47%純水+53%乙二醇，確保變頻器和冷卻系統元器件安全可靠。

3.3 水循環系統關鍵元件選型計算

1）冷卻介質流量計算:

根據熱力學公式：

=Δ(1)

式（1）中：：不均勻換熱系數，1.1～1.5；：冷卻介質的比熱；：冷卻介質質量流量(kg/s)；Δ：循環冷卻介質進出口溫差(℃)；

根據公式（1）左側并柜冷卻液質量流量：=50.508 kW/1.1/2.1×103J/(㎏·℃)/5(℃)=4.373 kg/s=17.05 m3/h；

右側冷卻液質量流量:m=53.31 kW/1.1/2.1×103J/(㎏·℃)/5(℃)=4.616 kg/s=16.62 m3/h；

考慮到水冷循環系統在長期使用運行后性能下降的影響，在循環泵選型過程中適當使冷卻介質的實際流量大于計算值，提高水循環系統的可靠性，提高變頻器的安全性能。

圖2 電鏟變頻器水冷系統原理圖

2)循環泵揚程計算：

根據水泵揚程計算公式：

=(H+H)(2)

式(2)中：H：排水高度；H：吸水高度；：管路損失系數，豎井=1.1～1.5；斜井小于20°時=1.3～1.35； =20°～30°；=1.25～1.3；大于30°時=1.2；

根據電鏟變頻器和水冷循環系統的布局，水泵揚程=1.5*(14.182+14.182)=42.546 m。

2)循環泵電機功率計算：

根據循環水泵電機容量計算公式：

備用系數Q＜20 m3/h，=1.5；Q=20～80 m3/h，=1.3～1.2；Q=80～300 m3/h，=1.2～1.1；Q＞300 m3/h，=1.1；

介質重度：=，單位N/m3；

冷卻介質：根據上文提到，本電鏟變頻器的冷卻介質為47%的純水+53%乙二醇，純水密度是1.0*103kg/m3，乙二醇的密度：1.11*103kg/m3)兩種混合密度為1.06*103kg/m3

計算得出循環泵電機容量=3.48 kW

3)管路管徑大小計算：

根據水冷循環系統管徑計算公式：

4）膨脹罐體積計算

根據膨脹罐體積計算公式：

式(5)中：：膨脹罐的體積，L；：系統中介質的總容量，L；：介質的熱膨脹系數；1：膨脹罐的預充壓力，bar；2：系統運行的最高壓力(系統中安全閥的起跳壓力)，bar；

電鏟變頻器冷卻介質質量為225 kg，冷卻液的密度為1.06*103 kg/m3；根據冷卻介質質量和密度計算出系統中介質的總容量212.3L；介質的熱膨脹系數為0.04667，膨脹罐的預充壓力一般為2 bar，系統運行的最高壓力為4 bar；

如上所所述，計算得出水循環系統膨脹罐體積24.76 L

5)水風換熱器換熱面積計算

根據電鏟變頻器所需的換熱量和進出口溫度，確定熱交換器的換熱面積，并對熱交換器進行結構設計或選擇符合換熱面積的熱交換器。根據換熱公式：

對數平均溫度可按下式求得：

綜上所述，根據水循環系統關鍵元件計算，選出電鏟變頻器冷卻系統所需要循環泵、膨脹罐等元件型號，以及水風換熱器的性能及結構形式。

4 結束語

本文介紹了變頻器的多種冷卻方式，對比了多種冷卻方式的優缺點及不同環境情況下的選擇，闡述了礦用電鏟水冷變頻器的主要原理，重點展開了某電鏟水冷變頻器水冷的方法和流程。綜上所述，水冷變頻器散熱效率高、容量大、空間利用率高、噪音小、維護次數少、運行費用低、可靠性高等優點，可快速跟上變頻器功率變頻器的發展趨勢。隨著大功率變頻調速設備在礦山領域中的應用逐漸增多，水冷變頻器在礦山領域必將有著廣闊的應用前景。

[1] 張君, 劉洋. 變頻器的選用、安裝及調試技術探討[J].山東化工, 2019, 48(01): 118-119.

[2] 師遠征. HD2000水冷變頻器在電動鉆機上的應用[J]. 電氣傳動自動化, 2019, 41(01): 36-37.

[3] 張斌. 電子設備結構設計中CAD技術的應用研究[D]. 西安: 西安電子科技大學, 2010.

Design and application of inverter water cooling circulation system in large mining excavator

Liu Guohong1, Yang Wei2

(1. Equipment Maintenance Center, Shenhua Zhunneng Group Co., Ltd, Erdos 010300, Inner Mongolia, China; 2. Wuhan Great Sea Hi-tech Co., Ltd, Wuhan 430000, China;)

TM921.51

A

1003-4862(2022)04-0013-05

2021-12-20

劉國宏(1977-)，男，工程師。研究方向：礦山機電。E-mail: 13947704160@qq.com