馬 駿

（太原市熱力集團有限責(zé)任公司， 山西 太原 030000）

0 引言

變頻器在運行過程中，由于運行電流較大，因此會產(chǎn)生較多的熱量，熱量的積累導(dǎo)致溫度上升，這對于大功率變頻器的使用壽命和運行效率造成挑戰(zhàn)[1-3]。傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)多應(yīng)用空調(diào)冷卻系統(tǒng)，其前期投資和運行費用較為昂貴，同時運行穩(wěn)定性和安全可靠性較差[4]。針對上述問題，設(shè)計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)對冷卻系統(tǒng)進行了設(shè)計，最后分析了應(yīng)用效果和經(jīng)濟性。

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和功率等級較大，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、補水箱、安全閥、排氣裝置、過濾裝置、馬達離心泵等組成。通常情況下，兩個冷卻水箱通過補水箱補滿水，水箱內(nèi)的水在冷卻系統(tǒng)中循環(huán)流動，通過馬達離心泵旋轉(zhuǎn)使得循環(huán)流動的水將熱量帶至冷卻水箱。冷卻水箱具備循環(huán)路徑場、散熱面積大的特點，充分冷卻后循環(huán)流動的水將再次循環(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—補水箱；4—安全閥；5—變頻器；6—水箱II；7—排氣口；8—馬達離心泵；9—過濾器

為了實現(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：一是冷卻系統(tǒng)對變頻器的熱量進行充分冷卻，長時間運行后變頻器的熱量不會有所積累，可以穩(wěn)定運行；二是冷卻系統(tǒng)對變頻器熱量冷卻后，循環(huán)再冷卻時的水溫需要恢復(fù)，這樣才能達到循環(huán)冷卻效果。

2 大功率變頻器冷卻系統(tǒng)設(shè)計

2.1 變頻器箱設(shè)計

如圖2 所示為變頻箱結(jié)構(gòu)示意圖，通常變頻器系統(tǒng)由兩臺變頻器構(gòu)成。為了使變頻器冷卻效率更好，將兩臺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，首先對安裝在背板的第一臺變頻器進行冷卻降溫；之后循環(huán)水流出背板并流入底板，對安裝在底板的第二臺變頻器進行冷卻降溫；當(dāng)完成對兩臺變頻器的冷卻后，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變頻器的熱量相對安裝在背板的第一臺較高，因此，變頻器箱的底板需要有較強的散熱效果。本文所設(shè)計的變頻器底板采用黃銅材料，其導(dǎo)熱率較高，可以增強循環(huán)水熱量交換和冷卻效果。

2.2 參數(shù)計算

大功率變頻器冷卻系統(tǒng)的核心設(shè)備是水箱，對于水箱的散熱面積和循環(huán)水量需要詳細計算。水箱的散熱面積由經(jīng)驗公式得到：

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)過冷卻散熱后循環(huán)水的溫差，℃。通過實際參數(shù)可以解出循環(huán)水的實際流量。

2.3 關(guān)鍵設(shè)備選型與注意事項

大功率變頻器冷卻系統(tǒng)中，馬達離心泵和安全閥是保證其安全高效穩(wěn)定運行的核心關(guān)鍵設(shè)備。馬達離心泵由離心泵和內(nèi)嚙合或外嚙合馬達構(gòu)成，通過驅(qū)動系統(tǒng)使得馬達轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)大功率變頻器冷卻系統(tǒng)中循環(huán)水的輸送。馬達離心泵具有效率高、調(diào)速范圍寬、尺寸小、零件少等特點。本文所設(shè)計的大功率變頻器冷卻系統(tǒng)選用9303C-HM1C 型馬達離心泵。馬達離心泵需要配合安全閥進行工作，根據(jù)9303C-HM1C 型馬達離心泵特性和大功率變頻器冷卻系統(tǒng)的運行參數(shù)，選取CODE63 型號的安全閥，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)使用過程中，為了保證關(guān)鍵設(shè)備的安全運行，需要注意以下四點：

1）需要對循環(huán)水進行監(jiān)測，保證運行過程中循環(huán)水中無鐵、銅雜質(zhì)，pH 值為中性，水溫保持30 ℃以下，進水水壓為0.2 MPa；

2）在冷卻系統(tǒng)運行之前需要對循環(huán)水流通路徑進行排氣，以防止馬達離心泵工作效率降低導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)無法正常工作；

3）具有儲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)正式運行前應(yīng)對其進行磷化處理；

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

3 大功率變頻器冷卻系統(tǒng)實際應(yīng)用

3.1 應(yīng)用效果分析

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

表1 大功率變頻器冷卻系統(tǒng)運行參數(shù)對比

3.2 經(jīng)濟性分析

若采用空調(diào)冷卻方式，4 臺大功率變頻器的功率都為1 400 kW，熱量損失為4%，由此可以計算出單臺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，可以得到單臺變頻器需要空調(diào)的交換功率最少為70 kW，4 臺大功率變頻器則需要280 kW 的空調(diào)交換功率。若單臺空調(diào)12 p 的空調(diào)為28 kW 的交換功率，則需要安裝10 臺空調(diào)，耗電功率116 kW。若單臺空調(diào)的安裝投資成本為3 萬元，共需要30 萬元的空調(diào)投資。若采用本文所設(shè)計的冷卻系統(tǒng)，考慮1.1 倍的冷卻裕度，單臺變頻器僅需63 kW的冷卻系統(tǒng)，一套冷卻系統(tǒng)需投資6 萬元，4 套總計為24 萬元，對比空調(diào)冷卻方式設(shè)備投資可節(jié)省6 萬元。

應(yīng)用本文所設(shè)計的冷卻系統(tǒng)后，冷卻系統(tǒng)耗電功率為17.2 kW，對比空調(diào)冷卻方式耗電功率大幅度降低。若按電價0.3 元/kW 且年運行天數(shù)8 000 d 計算，一年的耗電量可計算出為137 600k·Wh；若采用空調(diào)冷卻方式，運行天數(shù)和電價保持一致時一年的耗電量可以計算出為928 000 k·Wh。通過以上計算可知，采用本文所設(shè)計的冷卻系統(tǒng)耗電量節(jié)省790 000 k·Wh，大約可節(jié)省費用23.7 萬元?？梢钥闯霰疚乃O(shè)計的大功率變頻器冷卻系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟應(yīng)用性。

4 結(jié)論

本文針對變頻器采用傳統(tǒng)空調(diào)冷卻方式運行穩(wěn)定性差、成本高的問題，設(shè)計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)對冷卻系統(tǒng)進行了設(shè)計，包括變頻器箱設(shè)計、參數(shù)計算、關(guān)鍵設(shè)備選型和注意事項。將本文所設(shè)計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行溫度，保證大功率變頻器的安全穩(wěn)定運行。同時具有良好的經(jīng)濟性，設(shè)備投資可節(jié)省6 萬元，同時每年可節(jié)省電費23.7 萬元。