馬 駿

（太原市熱力集團(tuán)有限責(zé)任公司， 山西 太原 030000）

0 引言

變頻器在運(yùn)行過(guò)程中，由于運(yùn)行電流較大，因此會(huì)產(chǎn)生較多的熱量，熱量的積累導(dǎo)致溫度上升，這對(duì)于大功率變頻器的使用壽命和運(yùn)行效率造成挑戰(zhàn)[1-3]。傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)多應(yīng)用空調(diào)冷卻系統(tǒng)，其前期投資和運(yùn)行費(fèi)用較為昂貴，同時(shí)運(yùn)行穩(wěn)定性和安全可靠性較差[4]。針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種大功率變頻器冷卻系統(tǒng)，分析了大功率冷卻系統(tǒng)的工作原理，并以此為基礎(chǔ)對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最后分析了應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)性。

1 大功率變頻器冷卻系統(tǒng)工作原理

由于熱力公司所應(yīng)用的變頻器電壓等級(jí)和功率等級(jí)較大，為了保證變頻器的工作性能，采用效率較高的常溫水閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)，如圖1 所示為大功率變頻器冷卻系統(tǒng)原理示意圖，冷卻系統(tǒng)主要由冷卻水箱、水流指示器、補(bǔ)水箱、安全閥、排氣裝置、過(guò)濾裝置、馬達(dá)離心泵等組成。通常情況下，兩個(gè)冷卻水箱通過(guò)補(bǔ)水箱補(bǔ)滿水，水箱內(nèi)的水在冷卻系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)，通過(guò)馬達(dá)離心泵旋轉(zhuǎn)使得循環(huán)流動(dòng)的水將熱量帶至冷卻水箱。冷卻水箱具備循環(huán)路徑場(chǎng)、散熱面積大的特點(diǎn)，充分冷卻后循環(huán)流動(dòng)的水將再次循環(huán)帶走變頻器的熱量，如此往復(fù)可以起到對(duì)變頻器冷卻的目的。

圖1 大功率變頻器冷卻系統(tǒng)

1—水箱I；2—水流指示器；3—補(bǔ)水箱；4—安全閥；5—變頻器；6—水箱II；7—排氣口；8—馬達(dá)離心泵；9—過(guò)濾器

為了實(shí)現(xiàn)大功率變頻器冷卻系統(tǒng)的正常工作，需要注意以下兩點(diǎn)：一是冷卻系統(tǒng)對(duì)變頻器的熱量進(jìn)行充分冷卻，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后變頻器的熱量不會(huì)有所積累，可以穩(wěn)定運(yùn)行；二是冷卻系統(tǒng)對(duì)變頻器熱量冷卻后，循環(huán)再冷卻時(shí)的水溫需要恢復(fù)，這樣才能達(dá)到循環(huán)冷卻效果。

2 大功率變頻器冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 變頻器箱設(shè)計(jì)

如圖2 所示為變頻箱結(jié)構(gòu)示意圖，通常變頻器系統(tǒng)由兩臺(tái)變頻器構(gòu)成。為了使變頻器冷卻效率更好，將兩臺(tái)變頻器分別安裝在變頻器的底板和背板上。當(dāng)循環(huán)水流入背板時(shí)，首先對(duì)安裝在背板的第一臺(tái)變頻器進(jìn)行冷卻降溫；之后循環(huán)水流出背板并流入底板，對(duì)安裝在底板的第二臺(tái)變頻器進(jìn)行冷卻降溫；當(dāng)完成對(duì)兩臺(tái)變頻器的冷卻后，循環(huán)水由背板流出，完成一輪冷卻散熱。

圖2 變頻器箱結(jié)構(gòu)

通常大功率變頻器系統(tǒng)中兩臺(tái)變頻器的應(yīng)用頻次和發(fā)熱功率有所差別，安裝在底板的第二臺(tái)變頻器的熱量相對(duì)安裝在背板的第一臺(tái)較高，因此，變頻器箱的底板需要有較強(qiáng)的散熱效果。本文所設(shè)計(jì)的變頻器底板采用黃銅材料，其導(dǎo)熱率較高，可以增強(qiáng)循環(huán)水熱量交換和冷卻效果。

2.2 參數(shù)計(jì)算

大功率變頻器冷卻系統(tǒng)的核心設(shè)備是水箱，對(duì)于水箱的散熱面積和循環(huán)水量需要詳細(xì)計(jì)算。水箱的散熱面積由經(jīng)驗(yàn)公式得到：

式中：Q為換熱系數(shù)，W/（m2·℃）；tw為水箱散熱面溫度，℃；to為水箱環(huán)境溫度，℃；S為水箱散熱面面積， m2。變頻器冷卻系統(tǒng)循環(huán)水的流量由熱平衡方程得到：

式中：P為循環(huán)水冷卻散熱功率，W；c為冷卻散熱循環(huán)水比熱容，kJ/（kg·K）；q為循環(huán)水流量，L/min；ρ 為冷卻散熱循環(huán)水密度，kg/m3；為經(jīng)過(guò)冷卻散熱后循環(huán)水的溫差，℃。通過(guò)實(shí)際參數(shù)可以解出循環(huán)水的實(shí)際流量。

2.3 關(guān)鍵設(shè)備選型與注意事項(xiàng)

大功率變頻器冷卻系統(tǒng)中，馬達(dá)離心泵和安全閥是保證其安全高效穩(wěn)定運(yùn)行的核心關(guān)鍵設(shè)備。馬達(dá)離心泵由離心泵和內(nèi)嚙合或外嚙合馬達(dá)構(gòu)成，通過(guò)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使得馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)大功率變頻器冷卻系統(tǒng)中循環(huán)水的輸送。馬達(dá)離心泵具有效率高、調(diào)速范圍寬、尺寸小、零件少等特點(diǎn)。本文所設(shè)計(jì)的大功率變頻器冷卻系統(tǒng)選用9303C-HM1C 型馬達(dá)離心泵。馬達(dá)離心泵需要配合安全閥進(jìn)行工作，根據(jù)9303C-HM1C 型馬達(dá)離心泵特性和大功率變頻器冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，選取CODE63 型號(hào)的安全閥，并且安全閥的流量設(shè)定為30 L/min，壓力設(shè)定為2.5 MPa。

在大功率變頻器冷卻系統(tǒng)使用過(guò)程中，為了保證關(guān)鍵設(shè)備的安全運(yùn)行，需要注意以下四點(diǎn)：

1）需要對(duì)循環(huán)水進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證運(yùn)行過(guò)程中循環(huán)水中無(wú)鐵、銅雜質(zhì)，pH 值為中性，水溫保持30 ℃以下，進(jìn)水水壓為0.2 MPa；

2）在冷卻系統(tǒng)運(yùn)行之前需要對(duì)循環(huán)水流通路徑進(jìn)行排氣，以防止馬達(dá)離心泵工作效率降低導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)無(wú)法正常工作；

3）具有儲(chǔ)水功能的水箱和循環(huán)水流通路徑管道容易出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，在冷卻系統(tǒng)正式運(yùn)行前應(yīng)對(duì)其進(jìn)行磷化處理；

4）變頻箱由于底板需要進(jìn)行鈍化處理以防止黃銅材料腐蝕，延長(zhǎng)冷卻系統(tǒng)使用壽命，保證運(yùn)行安全。

3 大功率變頻器冷卻系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用

3.1 應(yīng)用效果分析

某地供熱公司供熱站采用4 臺(tái)額定功率為1400kW的大功率變頻器，當(dāng)變頻器運(yùn)行時(shí)較大的運(yùn)行電流導(dǎo)致變頻器產(chǎn)生較多熱量，不僅影響變頻器使用壽命，同時(shí)產(chǎn)生的熱量也使得能源造成浪費(fèi)。傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)多應(yīng)用空調(diào)冷卻系統(tǒng)，其前期投資和運(yùn)行費(fèi)用較為昂貴，同時(shí)運(yùn)行穩(wěn)定性和安全可靠性較差。應(yīng)用本文所設(shè)計(jì)的大功率變頻器冷卻系統(tǒng)后，冷卻系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，如表1 所示為運(yùn)行一個(gè)月后大功率變頻器冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，可以看出大功率變頻器運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，冷卻系統(tǒng)可以有效保持變頻器運(yùn)行溫度。

表1 大功率變頻器冷卻系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)對(duì)比

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

若采用空調(diào)冷卻方式，4 臺(tái)大功率變頻器的功率都為1 400 kW，熱量損失為4%，由此可以計(jì)算出單臺(tái)變頻器需要的冷卻功率為1 400 kW×4%=56 kW，考慮冷卻裕度1.5 倍，可以得到單臺(tái)變頻器需要空調(diào)的交換功率最少為70 kW，4 臺(tái)大功率變頻器則需要280 kW 的空調(diào)交換功率。若單臺(tái)空調(diào)12 p 的空調(diào)為28 kW 的交換功率，則需要安裝10 臺(tái)空調(diào)，耗電功率116 kW。若單臺(tái)空調(diào)的安裝投資成本為3 萬(wàn)元，共需要30 萬(wàn)元的空調(diào)投資。若采用本文所設(shè)計(jì)的冷卻系統(tǒng)，考慮1.1 倍的冷卻裕度，單臺(tái)變頻器僅需63 kW的冷卻系統(tǒng)，一套冷卻系統(tǒng)需投資6 萬(wàn)元，4 套總計(jì)為24 萬(wàn)元，對(duì)比空調(diào)冷卻方式設(shè)備投資可節(jié)省6 萬(wàn)元。

應(yīng)用本文所設(shè)計(jì)的冷卻系統(tǒng)后，冷卻系統(tǒng)耗電功率為17.2 kW，對(duì)比空調(diào)冷卻方式耗電功率大幅度降低。若按電價(jià)0.3 元/kW 且年運(yùn)行天數(shù)8 000 d 計(jì)算，一年的耗電量可計(jì)算出為137 600k·Wh；若采用空調(diào)冷卻方式，運(yùn)行天數(shù)和電價(jià)保持一致時(shí)一年的耗電量可以計(jì)算出為928 000 k·Wh。通過(guò)以上計(jì)算可知，采用本文所設(shè)計(jì)的冷卻系統(tǒng)耗電量節(jié)省790 000 k·Wh，大約可節(jié)省費(fèi)用23.7 萬(wàn)元?？梢钥闯霰疚乃O(shè)計(jì)的大功率變頻器冷卻系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟(jì)應(yīng)用性。

4 結(jié)論

本文針對(duì)變頻器采用傳統(tǒng)空調(diào)冷卻方式運(yùn)行穩(wěn)定性差、成本高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了大功率變頻器冷卻系統(tǒng)。首先分析了大功率冷卻系統(tǒng)的工作原理，并以此為基礎(chǔ)對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括變頻器箱設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算、關(guān)鍵設(shè)備選型和注意事項(xiàng)。將本文所設(shè)計(jì)的大功率變頻器冷卻系統(tǒng)應(yīng)用于某熱力公司，冷卻系統(tǒng)可以有效保持變頻器運(yùn)行溫度，保證大功率變頻器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)具有良好的經(jīng)濟(jì)性，設(shè)備投資可節(jié)省6 萬(wàn)元，同時(shí)每年可節(jié)省電費(fèi)23.7 萬(wàn)元。