劉國宏，楊 威

應(yīng)用研究

變頻器水冷循環(huán)系統(tǒng)在電鏟中的設(shè)計應(yīng)用

劉國宏1，楊 威2

（1. 神華準(zhǔn)能集團有限責(zé)任公司設(shè)備維修中心，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300；2. 武漢長海高新技術(shù)有限公司，武漢 430000）

電鏟變頻器普遍采用風(fēng)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(shè)備的設(shè)計方法和流程，解決電鏟變頻器風(fēng)冷散熱效果和環(huán)境應(yīng)用等問題，推動水冷變頻器在礦山領(lǐng)域的應(yīng)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(xù)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(qū)動設(shè)備，其性能和維護周期直接影響電鏟生產(chǎn)效率，進而影響礦山的整體經(jīng)濟效益。由于變頻器在使用過程中，其內(nèi)部功率元件的功率損耗產(chǎn)生大量的熱，使變頻器由于高溫停機保護或故障，嚴(yán)重影響電鏟的生產(chǎn)效率[1]。根據(jù)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(shè)計。

本文介紹了礦用變頻器常用冷卻方式優(yōu)缺點，從變頻器應(yīng)用環(huán)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(tǒng)采用合適的冷卻技術(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計，在熱損耗元器件至外界環(huán)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(shè)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(shù)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(diào)制冷散熱、強迫風(fēng)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(dǎo)熱、自然對流或者輻射換熱出去[3]，其優(yōu)點是成本低；缺點是散熱需要一定空間，且效果有限。

空調(diào)冷卻是通過對整個電氣室溫度降溫，再由變頻器軸流風(fēng)機將環(huán)境中冷空氣經(jīng)變頻器柜門板上的過濾器抽入到變頻器內(nèi)部，途經(jīng)變頻器內(nèi)部的通風(fēng)散熱通道，再由變頻器柜頂端風(fēng)罩通風(fēng)口排出，達(dá)到降溫目的；此種冷卻適用于中小功率變頻器，優(yōu)點是室外和室內(nèi)沒有空氣流通交互，電氣室內(nèi)環(huán)境清潔，缺點是空調(diào)維修和運行費用較高，所需空間較大。

強迫風(fēng)冷主要應(yīng)用在熱流密度比較大，溫升要求比較高的設(shè)備中，目前礦用電鏟搭用的西門子變頻器主要以強迫風(fēng)冷的散熱方式為主流。電鏟頂部搭載一套大功率通風(fēng)除塵裝置，將電鏟外部空氣經(jīng)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(nèi)部風(fēng)機吸入，經(jīng)過變頻器內(nèi)部風(fēng)道使相關(guān)元器件降溫散熱，與熱空氣混合后經(jīng)變頻器柜頂部的集中導(dǎo)流罩排到電鏟室外環(huán)境中。強迫風(fēng)冷的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，投資成本和運行成本低。缺點是通風(fēng)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(fā)展，風(fēng)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(huán)境中粉塵含量較高，需要頻繁更換通風(fēng)除塵中過濾裝置。

水冷散熱換熱方式有水-風(fēng)換熱和水-水換熱,水-風(fēng)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(tǒng)中的動力將變頻器的熱流壓入到水風(fēng)換熱器，再由水風(fēng)換熱器的風(fēng)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(shù)等于空氣自然冷卻換熱系數(shù)的150～300倍，是風(fēng)冷方式換熱系數(shù)的50～70倍。水冷散熱優(yōu)點是效率高、可靠性高、維護次數(shù)少、運行費用低，缺點是硬件成本較高。

2 變頻器冷卻系統(tǒng)設(shè)計

2.1 變頻器發(fā)熱元器件及散熱方式

變頻器系統(tǒng)中主要發(fā)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(chǎn)生的熱量傳遞到散熱基板上，然后再由流過基板內(nèi)部的冷卻介質(zhì)將產(chǎn)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(chǎn)生的熱量；間接水冷式電抗器是由電抗器運行產(chǎn)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(yè)淡水。對于發(fā)熱量較小的電抗器，可以采用強迫風(fēng)冷方式散熱。

2.2 變頻器冷卻系統(tǒng)的組成及工作原理

圖1 變頻器冷卻系統(tǒng)原理示意圖

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

1）主循環(huán)支路。主循環(huán)支路由兩臺循環(huán)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(zhì)經(jīng)過氣水分離器，進入循環(huán)水泵加壓，到熱交換器。熱交換器將所攜熱量排到外部環(huán)境，冷卻介質(zhì)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(huán)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(zhì)后，管路中冷卻介質(zhì)可能溶解少量氣體。內(nèi)冷水遇熱導(dǎo)致水中溶解的氣體在運行后由于溫度升高，冷卻介質(zhì)中氣泡排出。若冷卻介質(zhì)中產(chǎn)生的氣泡過多，會影響水冷循環(huán)冷卻效果，不利于系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，在管路最高處設(shè)置氣水分離器可分離出冷卻介質(zhì)中的氣泡。冷卻介質(zhì)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(dá)到位于氣水分離器上自動排氣閥的設(shè)定壓力后自動排氣閥自動開啟排空，而經(jīng)過除氣后的循環(huán)冷卻介質(zhì)經(jīng)過循環(huán)水泵進入主循環(huán)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(dāng)冷卻系統(tǒng)中的循環(huán)系統(tǒng)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(fā)生改變，水囊中的純水就會自動進入管道中，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。當(dāng)水囊中的水量下降至設(shè)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(dá)到膨脹罐設(shè)定值后，補水泵停止運行。

4）熱交換器。根據(jù)水源、損耗功率大小以及氣象資料（環(huán)境溫度等）來確定熱交換器的形式，當(dāng)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(shè)備），可采用水-風(fēng)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(yōu)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(shè)計熱交換器時，為確保系統(tǒng)正常工作，一般采用一備一用兩臺并聯(lián)形式。

5）測量裝置。在水冷循環(huán)系統(tǒng)中循環(huán)泵入水口和出口應(yīng)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(zhì)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(shè)備的冷卻介質(zhì)的壓強在0.25 MPa～0.40 MPa安全范圍內(nèi)。通過對水冷循環(huán)系統(tǒng)的溫度、壓力信號進行檢測，控制系統(tǒng)根據(jù)檢測結(jié)果反饋采取相對應(yīng)措施，以保證水冷循環(huán)系統(tǒng)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(yīng)強的電磁場環(huán)境，提高檢測數(shù)據(jù)可靠性。

6）控制系統(tǒng)。變頻器冷卻系統(tǒng)配有模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、觸摸屏、各種在線變送器組成的自動化控制系統(tǒng)。觸摸屏顯示冷卻系統(tǒng)各項運行參數(shù)，參數(shù)超標(biāo)時顯示各項報警信號和跳閘信號，并可將這些數(shù)據(jù)通過RS485或開關(guān)量上傳給上位機;

3 某電鏟變頻器水冷循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計

3.1 電鏟變頻器配置

某電鏟變頻器置于電氣室內(nèi)，呈兩側(cè)相對放置狀態(tài)。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(cè)并柜額定工作條件下功率模塊總損耗為50.508 kW；右側(cè)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(tǒng)原理圖。由圖2可知，該水冷循環(huán)系統(tǒng)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(nèi)部功率元器件由管路中冷卻介質(zhì)冷卻。冷卻介質(zhì)在循環(huán)泵壓力作用下，進入到循環(huán)泵，再由泵出口流出經(jīng)過止回閥，流入到水－風(fēng)換熱器中。此時液體介質(zhì)攜帶的熱量在水－風(fēng)換熱器風(fēng)機作用下快速散入大氣，使冷卻介質(zhì)溫度降低到變頻器允許的進水溫度，達(dá)到電鏟變頻器降溫的效果。

本水冷循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計有兩套冷卻水循環(huán)泵，采用一備一用設(shè)計，避免長期使用單循環(huán)泵造成冷卻系統(tǒng)失效。水冷循環(huán)系統(tǒng)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(tǒng)中設(shè)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(huán)系統(tǒng)起監(jiān)測和保護作用，同時在管路的最高位置設(shè)計汽水分離發(fā)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(tǒng)外，確保冷卻介質(zhì)泄漏量最少；在管路最低位置應(yīng)設(shè)置了排污口、緊急排放口等。設(shè)計水冷循環(huán)系統(tǒng)時應(yīng)該考慮檢修、維護及保養(yǎng)，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(huán)冷卻介質(zhì)在溫度極低下失效，應(yīng)配比使用47%純水+53%乙二醇，確保變頻器和冷卻系統(tǒng)元器件安全可靠。

3.3 水循環(huán)系統(tǒng)關(guān)鍵元件選型計算

1）冷卻介質(zhì)流量計算:

根據(jù)熱力學(xué)公式：

=Δ(1)

式（1）中：：不均勻換熱系數(shù)，1.1～1.5；：冷卻介質(zhì)的比熱；：冷卻介質(zhì)質(zhì)量流量(kg/s)；Δ：循環(huán)冷卻介質(zhì)進出口溫差(℃)；

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

右側(cè)冷卻液質(zhì)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(huán)系統(tǒng)在長期使用運行后性能下降的影響，在循環(huán)泵選型過程中適當(dāng)使冷卻介質(zhì)的實際流量大于計算值，提高水循環(huán)系統(tǒng)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(tǒng)原理圖

2)循環(huán)泵揚程計算：

根據(jù)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(shù)，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(jù)電鏟變頻器和水冷循環(huán)系統(tǒng)的布局，水泵揚程=1.5*(14.182+14.182)=42.546 m。

2)循環(huán)泵電機功率計算：

根據(jù)循環(huán)水泵電機容量計算公式：

備用系數(shù)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(zhì)重度：=，單位N/m3；

冷卻介質(zhì)：根據(jù)上文提到，本電鏟變頻器的冷卻介質(zhì)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(huán)泵電機容量=3.48 kW

3)管路管徑大小計算：

根據(jù)水冷循環(huán)系統(tǒng)管徑計算公式：

4）膨脹罐體積計算

根據(jù)膨脹罐體積計算公式：

式(5)中：：膨脹罐的體積，L；：系統(tǒng)中介質(zhì)的總?cè)萘?，L；：介質(zhì)的熱膨脹系數(shù)；1：膨脹罐的預(yù)充壓力，bar；2：系統(tǒng)運行的最高壓力(系統(tǒng)中安全閥的起跳壓力)，bar；

電鏟變頻器冷卻介質(zhì)質(zhì)量為225 kg，冷卻液的密度為1.06*103 kg/m3；根據(jù)冷卻介質(zhì)質(zhì)量和密度計算出系統(tǒng)中介質(zhì)的總?cè)萘?12.3L；介質(zhì)的熱膨脹系數(shù)為0.04667，膨脹罐的預(yù)充壓力一般為2 bar，系統(tǒng)運行的最高壓力為4 bar；

如上所所述，計算得出水循環(huán)系統(tǒng)膨脹罐體積24.76 L

5)水風(fēng)換熱器換熱面積計算

根據(jù)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(jié)構(gòu)設(shè)計或選擇符合換熱面積的熱交換器。根據(jù)換熱公式：

對數(shù)平均溫度可按下式求得：

綜上所述，根據(jù)水循環(huán)系統(tǒng)關(guān)鍵元件計算，選出電鏟變頻器冷卻系統(tǒng)所需要循環(huán)泵、膨脹罐等元件型號，以及水風(fēng)換熱器的性能及結(jié)構(gòu)形式。

4 結(jié)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(yōu)缺點及不同環(huán)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(shù)少、運行費用低、可靠性高等優(yōu)點，可快速跟上變頻器功率變頻器的發(fā)展趨勢。隨著大功率變頻調(diào)速設(shè)備在礦山領(lǐng)域中的應(yīng)用逐漸增多，水冷變頻器在礦山領(lǐng)域必將有著廣闊的應(yīng)用前景。

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

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

[3] 張斌. 電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計中CAD技術(shù)的應(yīng)用研究[D]. 西安: 西安電子科技大學(xué), 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