張前鋒

(上海磁浮交通發(fā)展有限公司，201204，上海//工程師)

高速磁浮列車牽引(驅動)技術原理是基于交流同步直線電機技術，變頻器是其主要調速設備。高速磁浮列車的變頻器在列車運行過程中會產生巨大熱量，因此變頻器需要穩(wěn)定、高效的冷卻系統(tǒng)來保障其正常工作。本文主要介紹上海高速磁浮列車變頻器冷卻系統(tǒng)的結構組成和工作原理，并對該系統(tǒng)設計進行研究和分析。

高速磁浮列車變頻器冷卻系統(tǒng)采用的冷卻方式是水冷。每臺冷卻機組通過兩套獨立的水路循環(huán)，將變頻器工作時產生的巨大熱量帶到室外進行降溫處理。高速磁浮列車共有高功率變頻器12套、中功率變頻器2套，14套變頻器都使用了該冷卻系統(tǒng)。

1 高速磁浮列車變頻器冷卻系統(tǒng)概述

高速磁浮列車變頻器冷卻系統(tǒng)有兩套獨立的水循環(huán)系統(tǒng)，分別為一次水循環(huán)和二次水循環(huán)。一次水使用高純度水，用于變頻器內部元器件冷卻，一次水循環(huán)裝置將變頻器工作時產生的熱量帶出；二次水使用防凍水，通過熱交換器將一次水的熱量交換過來，并帶到室外通過壓縮機制冷機組進行降溫。

一次水循環(huán)使用的冷卻水要求純度很高，電導率低于0.5 μs/cm，水中雜質顆粒小于50 μm；二次水循環(huán)使用的冷卻水要求零下20℃不結冰。另外，變頻器冷卻系統(tǒng)必須采集的實時信號由傳感器送入變頻器冷卻水控制子系統(tǒng)，由其控制冷卻系統(tǒng)的自動運行。其核心設備是SIMATIC S7控制器，屬于變頻器控制系統(tǒng)的子系統(tǒng)之一。單套冷卻系統(tǒng)的制冷容量為131 kW。

2 高速磁浮列車變頻器冷卻系統(tǒng)配置

高速磁浮列車變頻器冷卻系統(tǒng)主要配置設備有：一次二次回路及水泵、一次二次水箱、控制柜、熱交換器、戶外壓縮機制冷機組、去離子裝置、三位置閥、水溫水壓傳感器等。

變頻器冷卻系統(tǒng)的主要相關設備分布：變頻器、一次水箱位于設備樓一層；一/二次循環(huán)水泵、熱交換器、去離子裝置、二次水箱等位于設備樓地下室；二次水循環(huán)的制冷壓縮機組位于變頻器設備樓屋頂。主要設備分布在上、中、下三層結構中。

3 高速磁浮列車變頻器冷卻系統(tǒng)運行原理

高速磁浮列車牽引變頻器冷卻系統(tǒng)檢測及控制原理圖如圖1所示。

圖1 牽引變頻器冷卻系統(tǒng)檢測及控制原理圖

3.1 一次水循環(huán)系統(tǒng)

如圖1左側部分所示，一次水循環(huán)回路通過水泵驅動，經熱交換器降溫后，分別流經變頻器的整流柜，制動斬波柜，以及U、V、W三相逆變柜，然后回到一次水箱，再次進入循環(huán)；循環(huán)其間若檢測到一次水電導率高，則流經去離子裝置的閥門打開，對一次水進行去離子。

對一次水去離子的原因：一次水進入變頻器柜后經毛細管路直接通過變頻器GTO(門極可關斷晶閘管)模塊等的內部散熱器如圖2所示。這些金屬散熱器內層沒有絕緣層，功率器件通過這些散熱器和一次冷卻水聯(lián)系在一起，這就意味著冷卻水的絕緣性能決定了這些功率器件之間的絕緣性能，所以變頻器對于內循環(huán)的冷卻水的純度要求極高，冷卻水電導率要求低于0.5 μs/cm，水中雜質顆粒小于50 μm。

圖2 變頻器內部冷卻系統(tǒng)毛細管路

3.2 二次水循環(huán)系統(tǒng)

如圖1右側部分所示，二次循環(huán)水通過水泵驅動，進入室外的空調壓縮機制冷機組；二次循環(huán)水在蒸發(fā)器中和壓縮機中的低壓、低溫氣液混合制冷劑進行熱交換，二次水溫得到降低。制冷劑吸熱變?yōu)榈蛪簹怏w，經過壓縮機絕熱壓縮變成高溫高壓氣態(tài)，送入冷凝器向環(huán)境放熱后冷凝為高壓液體，再經過膨脹閥節(jié)流后進入蒸發(fā)器，如此循環(huán)往復。

壓縮機組不僅能夠提高冷卻效率，使得二次循環(huán)水溫快速降低，而且能夠準確控制二次水溫。根據(jù)一次水溫度的高低，二次水通過三位置閥(三通)控制進入熱交換器水量，來控制一次水的溫度。一次循環(huán)的水壓須大于二次循環(huán)水壓，避免熱交換器有漏點時，二次水通過漏點污染一次水。

4 高速磁浮列車冷卻系統(tǒng)主要參數(shù)分析

變頻器冷卻系統(tǒng)的控制部分是通過分布在管路和現(xiàn)場的傳感器采集信號，由處理器對比各環(huán)節(jié)參數(shù)配置后，對各執(zhí)行機構發(fā)出控制命令，使冷卻系統(tǒng)一、二次水各參數(shù)在運行過程中符合要求，并最終達到為變頻器發(fā)熱元件進行冷卻的目標。

4.1 變頻器冷卻系統(tǒng)溫度控制范圍

一次水溫要高于變頻器的環(huán)境溫度2 ℃以上，以防止因設備結露而降低絕緣性能。若一次水溫度低于環(huán)境溫度，則單獨啟動一個或兩個一次水泵，通過水循環(huán)與管道壁的摩擦使得水溫升高。

一次水溫度高于38 ℃時，冷卻系統(tǒng)報警，高于40 ℃時，變頻器停止工作。

二次水溫度控制低于一次水溫。若二次水溫度升高，則啟動壓縮機制冷機組，對二次水進行降溫。

二次水溫度高于30 ℃時，冷卻系統(tǒng)報警，報警后給一次水降溫的效率下降，直到一次水溫高于40 ℃后變頻器保護關斷。

二次水溫控制主要通過控制屋頂冷卻裝置的投入功率，對降溫效率進行控制，如表1所示。

表1 二次水溫與壓縮機投入功率控制表

4.2 變頻器冷卻系統(tǒng)一次水電導率控制

變頻器運行時一次水電導率控制在0.4～0.5 μs/cm之間，變頻器停止運行時一次水電導率控制在≥0.6 μs/cm。通過閥門控制一次水，通過去離子裝置時長來控制一次水電導率。

如果去離子裝置的閥門打開連續(xù)工作10 h后仍未關閉，去離子裝置自檢系統(tǒng)會報警，提示去離子樹脂失效，需更換去離子樹脂。

兩個傳感器檢測值差異即電導率檢測差值大于0.09 μs/cm，系統(tǒng)會報警，認為傳感器精度有誤，需校準或更換，以此方式保證電導率檢測精度。

4.3 變頻器冷卻系統(tǒng)流量監(jiān)測

一、二次水循環(huán)管路中存有空氣或壓力低等原因導致的流量低，報警超過設定時長，控制系統(tǒng)會發(fā)出報警：冷卻系統(tǒng)整體故障，變頻器保護關斷。

4.3.1 水位監(jiān)測

1) 一次水箱液位監(jiān)測。當水箱水位低于最低水位時，冷卻系統(tǒng)停止工作；當水箱水位低于正常水位時需要補水；當水箱水位超出最高水位：水會溢出。

2) 二次水箱液位監(jiān)測。當水箱水位低于最低水位時，冷卻系統(tǒng)停止工作，意味著二次水漏水；當水箱水位低于正常水位時，需要補水；當水箱水位高于最高水位時；表示一次水泄露進入二次水循環(huán)。

4.3.2 水壓監(jiān)測

一次水水壓大于二次水水壓，一次水壓力約為0.55 MPa，二次水壓力約為0.26 MPa；若熱交換器有泄露時，可以避免一次水被污染。

另外，壓縮機的自檢及保護、傳感器的自檢、水泵控制系統(tǒng)的自檢及保護、供電電源的監(jiān)測及保護在系統(tǒng)設計中也均有考慮。

5 變頻器冷卻系統(tǒng)功能

冷卻系統(tǒng)的設計主要有以下功能。

5.1 二次冷卻及冗余功能

2套獨立的水循環(huán)系統(tǒng)能提高整個冷卻系統(tǒng)效率和精度。冷卻系統(tǒng)配置考慮到一定的冗余功能，如果部分關鍵設備或易損設備故障，不會導致冷卻系統(tǒng)停機。冷卻系統(tǒng)設備配置如表2所示。

5.2 接口信號

變頻器啟動前只須檢測冷卻系統(tǒng)工作狀態(tài)；變頻器運行過程中，若冷卻系統(tǒng)整體故障、電導率和一次水溫超限則變頻器直接保護關斷。其它冷卻系統(tǒng)參數(shù)指標由冷卻系統(tǒng)控制柜自動控制。

5.3 冷卻系統(tǒng)開始工作條件及模式

變頻器準備模式開啟后即開始工作。冷卻系統(tǒng)不具備條件則變頻器不能啟動或保護關斷。冷卻系統(tǒng)工作模式為：

表2 冷卻系統(tǒng)關鍵運行設備或易故障設備配置表

1) 聯(lián)機模式：變頻器運行時模式，冷卻系統(tǒng)不可操作。

2) 獨立模式：單獨調試及試運行冷卻系統(tǒng)。

3) 單機模式：單個設備運行或維護更換備件。

5.4 人機界面監(jiān)控功能

通過WinCC(視窗控制中心)冷卻系統(tǒng)監(jiān)控界面，冷卻系統(tǒng)工作狀態(tài)、溫度、壓力、流量、電導率、水箱水位等參數(shù)情況均一目了然，并能對冷卻系統(tǒng)設備進行遠程操作。

從變頻器冷卻系統(tǒng)的設計策略和現(xiàn)場應用來看：該系統(tǒng)冗余科學，系統(tǒng)在關鍵或易損壞設備故障時，不會導致冷卻系統(tǒng)直接停止工作，維護人員可在列車停止運行后進行維護，冗余功能能夠保障冷卻系統(tǒng)的長期安全穩(wěn)定運行；變頻器冷卻系統(tǒng)接口簡潔，冷卻系統(tǒng)與變頻器相互較為獨立，接口信號較少，對接方便，便于大型自動化項目系統(tǒng)集成；采用二次冷卻，能提高整個冷卻系統(tǒng)效率和精度；監(jiān)控數(shù)據(jù)全面，運行人員能實時掌握設備運行狀況和各項參數(shù)，為故障排除和系統(tǒng)維護提供參考依據(jù)；采用多種運行模式，便于聯(lián)機、調試、隔離、維護等工作操作?？傊撟冾l器冷卻系統(tǒng)設計科學，功能完備。

6 結論

從上海高速磁浮列車的運行來看，該冷卻系統(tǒng)能滿足帶走磁浮列車在高速運行中變頻器所產生的熱量的需求，并能實現(xiàn)自身高效閉環(huán)調溫、調壓、調電導率等功能，保障磁浮列車的安全穩(wěn)定運行。

通過長期運行和維護，在工作中發(fā)現(xiàn)，冷卻系統(tǒng)的設計仍有以下幾點可以進一步改進:

1) 靜電干擾。由于冷卻系統(tǒng)和變頻器各子系統(tǒng)間的光纖通信采用的是外置式的光電轉換模塊，

且控制柜布線較為緊湊，強電和弱電電纜間隔較近，光電轉換模塊工作在其間易受到干擾。在今后的設計中，建議將光電轉換過程放在系統(tǒng)硬件內部完成，可以提高數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性和抗干擾性。

2) 某些維護設備位置或選材不合理。一/二次水箱加水和放水龍頭的位置設置不合理，且無鎖閉裝置。加、放水維護操作空間小，容易誤動作。

3) 壓縮機冷卻裝置的管道連接，彎角處未采用柔性連接，壓縮機工作震動易引起管道破裂。