合康HIVERT系列水冷大功率高壓變頻器的應(yīng)用

　　工控摘要：目前國內(nèi)高壓變頻器還是以風(fēng)冷為主要散熱方式。隨著變頻器功率的增大，風(fēng)冷已經(jīng)滿足不了變頻器自身散熱的要求，而解決大功率變頻器散熱的問題，無疑水冷是散熱方式。
　　
　　1引言
　　
　　隨著高壓變頻器在各個行業(yè)的廣泛應(yīng)用，關(guān)于高壓變頻器在應(yīng)用中帶來的系統(tǒng)安全，設(shè)備穩(wěn)定性的應(yīng)用問題也越來越多的受到關(guān)注，除了解決好高壓變頻器的系統(tǒng)穩(wěn)定性，還要解決好變頻器本體的散熱問題，這是保障變頻器安全運行的重要部分。目前國內(nèi)高壓變頻器還是以風(fēng)冷為主要散熱方式。隨著變頻器功率的增大，風(fēng)冷已經(jīng)滿足不了變頻器自身散熱的要求，而解決大功率變頻器散熱的問題，無疑水冷是散熱方式。目前只有少數(shù)廠商在大功率水冷型高壓變頻器有應(yīng)用業(yè)績，合康7400kW水冷變頻器在河北省遷安市鑫達鋼廠的成功應(yīng)用，標(biāo)志著合康在大功率水冷型高壓變頻器上取得了新的突破，提高公司在行業(yè)內(nèi)的競爭實力。
　　
　　2水冷與風(fēng)冷的散熱方式對比
　　
　　高壓變頻器安裝對環(huán)境溫度的要求為-5℃～45℃。大量研究表明，高壓變頻器的故障率隨溫度升高而上升，使用壽命隨溫度升高而下降，環(huán)境溫度升高10℃，高壓變頻器使用壽命將減半。高壓變頻器內(nèi)部使用了相當(dāng)多的高精度的電子元器件，在影響電力電子裝置可靠性的多種因素中，散熱是至關(guān)重要的一項。大功率半導(dǎo)體器件工作時所產(chǎn)生的熱量，將導(dǎo)致芯片溫度的升高，如果沒有適當(dāng)?shù)纳岽胧?，就可能使芯片溫度超過zui高允許溫度值，從而導(dǎo)致器件性能的惡化以致?lián)p壞。所以在電路設(shè)計中，選擇適當(dāng)?shù)纳岱绞剑⑦M行合理的設(shè)計，是使器件的潛力得到充分發(fā)揮，提高電路可靠性*的重要環(huán)節(jié)之一。
　　
　　3風(fēng)冷的冷卻方式
　　
　　變頻器從柜體的正面吸入空氣，經(jīng)過柜頂風(fēng)機將變頻器內(nèi)部的熱量帶走排出到室內(nèi)，從而在變頻器上面形成一個溫度偏高、壓力偏高的氣旋渦流區(qū)域，在變頻器的正面部分形成一個偏負壓區(qū)域，在運行中，變頻器功率柜上部區(qū)域?qū)嶋H上是吸入剛排出的熱風(fēng)進行冷卻，形成氣流短路，風(fēng)不能達到有效的冷卻效果。風(fēng)冷的冷卻系統(tǒng)主要包括散熱片和冷卻風(fēng)扇。其中冷卻風(fēng)扇壽命較短，壽命受限于軸承，臨近使用壽命時，風(fēng)扇產(chǎn)生震動，噪聲增大zui后停轉(zhuǎn)，變頻器出現(xiàn)單元過熱跳閘。
　　
　　4風(fēng)冷+空調(diào)的冷卻方式
　　
　　使用空調(diào)可以將室內(nèi)溫度降到理想的環(huán)境溫度，空調(diào)通常采用的是下進上出風(fēng)結(jié)構(gòu)，這樣與變頻器側(cè)進上出風(fēng)在一定程度上形成了“搶風(fēng)”的現(xiàn)象，變頻器吸入的空氣不*是空調(diào)降溫后的冷空氣，空調(diào)的降溫處理沒有把變頻器排出的熱空氣全部降溫，導(dǎo)致了整個冷卻系統(tǒng)的運行效率低下，能耗水平高。
　　
　　變頻器自身就是節(jié)能設(shè)備，采用空調(diào)冷卻造成能源的二次浪費，這種情況在超大功率的高壓變頻器應(yīng)用系統(tǒng)中更加明顯。
　　
　　超大功率高壓變頻器采用空調(diào)冷卻系統(tǒng)投資和運行費用非常昂貴，空調(diào)設(shè)備的可靠性和運行安全系數(shù)也直接影響變頻器的安全和穩(wěn)定運行。
　　
　　5空--水冷的冷卻方式
　　
　　將變頻器的熱風(fēng)通過風(fēng)道直接經(jīng)過空-冷裝置進行熱交換，由交換器內(nèi)部的冷卻水管道與熱空氣進行非介質(zhì)接觸式交換，直接將變頻器散失的熱量帶走,避免變頻器對室內(nèi)環(huán)境形成加熱作用?？绽溲b置的供冷水溫度不大于33℃時，即可保證熱風(fēng)經(jīng)過熱交換器后，將變頻器室內(nèi)的環(huán)境溫度控制在不高于40℃。
　　
　　在空-水冷卻系統(tǒng)中，對安裝空間及環(huán)境溫度有著較高的要求。需保證換熱器所在環(huán)境溫度小于要求達到的溫度，否則，無法達到溫度要求;空間要求，換熱器需要有良好的通風(fēng)，所以，在安裝時周圍至少留有≥500mm的通風(fēng)空間?？绽溲b置出口側(cè)易產(chǎn)生凝露并帶水排入室內(nèi)，對變頻器運行環(huán)境產(chǎn)生了不利的影響;空-水冷卻裝置采用兩套設(shè)計，增加了設(shè)備成本;同時對水的質(zhì)量要求較高，在條件比較惡略的鋼廠，如果直接采用鋼廠燒結(jié)冷卻水塔的水，需每隔半個月清洗一次水過濾器及空-水冷卻裝置。
　　
　　6水冷的冷卻方式
　　
　　水冷系統(tǒng)分為內(nèi)循環(huán)水冷和外循環(huán)水冷，變頻器內(nèi)部功率單元采用水冷板散熱，水通過管道進入水冷板，將IGBT等功率元件的發(fā)熱傳遞給水后，由水帶走，進入水-水熱交換器，水-水熱交換器通過和外循環(huán)水換熱，熱量由外循環(huán)水帶走，冷水進入單元水冷板繼續(xù)循環(huán)。為防止外部環(huán)境溫度引起變頻器內(nèi)部有凝露現(xiàn)象產(chǎn)生，在水冷管道內(nèi)加入加熱裝置。變頻器外部水溫低于25℃時，水冷系統(tǒng)會自動啟動加熱器，同時將散熱外水通過旁路管道直接回流，當(dāng)水溫高于25℃時，自動關(guān)閉加熱器，根據(jù)溫度的大小，自動調(diào)節(jié)外水通過散熱板的流量，讓外循環(huán)水帶走內(nèi)循環(huán)水的熱量。
　　
　　綜合上述描述，合康HIVERT系列水冷高壓變頻器標(biāo)準(zhǔn)采用水冷方式與其它冷卻方式相比具有很大的優(yōu)勢：
　　
　　（1）水冷系統(tǒng)可保證整個系統(tǒng)工作在*溫度點，而風(fēng)冷系統(tǒng)對外界環(huán)境波動敏感，不易保持在*工作點。對于電子控制系統(tǒng)，工作在*溫度點意味著高可靠性和zui長的使用壽命。
　　
　?。?）水冷系統(tǒng)對環(huán)境要求低，而空冷系統(tǒng)對環(huán)境要求高。變頻系統(tǒng)*工作點在0~40℃，按照大功率變頻器的效率為98%的話，意味著變頻器有很大的熱量需要散發(fā)，風(fēng)冷系統(tǒng)將很大的熱量排走需用一大容量或者超大容量的空調(diào)設(shè)備，投資大，長期運行費用高。
　　
　?。?）風(fēng)冷系統(tǒng)靠外風(fēng)循環(huán)，對室內(nèi)環(huán)境要求嚴格，灰塵很容易在高壓變頻器內(nèi)元器件和過濾網(wǎng)上集結(jié)，容易造成故障，也勢必增加設(shè)備維護量。
　　
　?。?）水冷系統(tǒng)不需要大功率的冷卻風(fēng)機，因此噪聲小，而空冷系統(tǒng)噪聲大。
　　
　　（5）合康HIVERT系列水冷型高壓變頻器對外循環(huán)水系統(tǒng)的水質(zhì)沒有特殊要求，可充分利用現(xiàn)場生產(chǎn)裝置循環(huán)冷卻水，無需額外投資。
　　
　?。?）冷卻系統(tǒng)雙泵互為備用，防止單泵故障引起系統(tǒng)停機。
　　
　　此外，合康HIVERT系列水冷型高壓變頻器水冷系統(tǒng)分冷卻水和循環(huán)水，冷卻水和循環(huán)水是分離的兩回路，冷卻水將變頻器功率器件產(chǎn)生的熱量與外部循環(huán)水通過熱交換器的熱交換將變頻器產(chǎn)生的熱量帶走，變頻器在輔助電源上電后自動檢測冷卻水電導(dǎo)率，當(dāng)電導(dǎo)率超過變頻器設(shè)定的電導(dǎo)率指標(biāo)時，自動啟動水冷系統(tǒng)除離子設(shè)備工作。
　　
　　合康HIVERT系列水冷高壓變頻器使用直接水冷方式，為那些必須節(jié)省空間要求低噪音的應(yīng)用場合提供了zui終解決方案。由于水能帶走98%的熱損耗，因此無需附加空調(diào)。這就降低了噪音，并提高了變頻器安裝的總效率。的水冷不需要在安裝室安裝空調(diào)，降低了安裝和運行的成本。全封閉的柜體結(jié)構(gòu)使合康HIVERT系列水冷高壓變頻器更適于惡劣環(huán)境的應(yīng)用。
　　
　　6合康7400kW水冷變頻器在河北省遷安市鑫達鋼廠的成功應(yīng)用
　　
　　合康HIVERT系列水冷高壓變頻器在鑫達鋼廠3#燒結(jié)風(fēng)機上得到了實際應(yīng)用。
　　
　　6.1現(xiàn)場工況
　　
　　河北省遷安市鑫達鋼廠3#160m2燒結(jié)線的負載為6600kW燒結(jié)風(fēng)機和7400kW冷卻風(fēng)機。2臺變頻器通過2臺同步電機分別拖動2臺風(fēng)機，且具有互為備用功能。2臺變頻器都具有頻工/工頻投切功能。
　　
　　6.2系統(tǒng)構(gòu)成
　　
　?。?）主回路
　　
　　根據(jù)現(xiàn)場需求，2臺變頻器互為備用并具備同步投切功能，
　　
　?。?）控制系統(tǒng)
　　
　　控制系統(tǒng)包括邏輯處理系統(tǒng)及上位監(jiān)控系統(tǒng)2部分。
　　
　　邏輯處理系統(tǒng)采用西門子s7-300系列，PLC主要采集現(xiàn)場故障信號、壓力信號及電機工作狀態(tài)來控制變頻器的工作狀態(tài)，根據(jù)現(xiàn)場壓力信號，自動加減速、自動調(diào)節(jié)電機的勵磁電流等。
　　
　?。?）水冷控制系統(tǒng)
　　
　　內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)整流二極管、逆變IGBT等器件直接安裝在水冷散熱板上，產(chǎn)生的熱量由內(nèi)循環(huán)水帶走，進入水-水熱交換器，水-水熱交換器通過和外循環(huán)水換熱，把熱量由外循環(huán)水帶走，冷水進入單元水冷板繼續(xù)循環(huán)。
　　
　　外循環(huán)系統(tǒng)外水供水分2路，1路外水進入油浸強迫油循環(huán)水冷變壓器的換熱器，通過換熱器把變壓器熱量帶走，冷卻變壓器后的外水進入回水管道;另一路外水去水冷柜，在水冷柜中外水把內(nèi)水冷卻。內(nèi)水進入變頻器模塊上的散熱器中，模塊上的熱量由內(nèi)水帶進水冷柜，在水冷柜中內(nèi)水與外水進行熱交換，外水把內(nèi)水的熱量帶走，從而達到對變頻器模塊的散熱。
　　
　　冷卻系統(tǒng)雙泵互為備用，防止單泵故障引起系統(tǒng)停機;去離子水離子濃度檢測功能，離子超標(biāo)報警;冷卻系統(tǒng)壓力檢測，超標(biāo)報警;冷卻系統(tǒng)溫度檢測，超標(biāo)報警。
　　
　　油浸強迫油循環(huán)水冷變壓器是把變壓器的油利用油泵從變壓器的上部抽出送入冷卻器，經(jīng)過外循環(huán)水進行冷卻，送入變壓器下部，形成循壞。冷卻器是散熱能力強的螺旋式，變壓器油在螺旋通道內(nèi)和外循環(huán)水進行熱交換，達到降低變壓器油溫的目的。變壓器采用立體卷鐵心，采用這種冷卻方式變壓器過載能力得到極大提高。變壓器強油水冷卻器是一種新型的應(yīng)用相當(dāng)廣泛的熱交換設(shè)備，它具有傳熱效率高、阻力損失小、操作穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、價格便宜等一系列優(yōu)點。螺旋*油水冷卻器是由2張卷板卷制成2個均勻的螺旋通道的螺旋體。在2螺旋通道的首尾2頭，即螺旋體的上下方和外緣切向方向上各焊上接管及法蘭，2通道內(nèi)分別有1種有載液體（油和水）呈全逆流狀態(tài)進行熱量交換。螺旋通道曲率均勻，通道中流體無大的換向，因而阻力較小且*。為了提高換熱效果通常流體在通道中流速轉(zhuǎn)大，可防止通道污垢堵塞，且通道本身有自潔作用，另外,2螺旋通道中還留有排氣（液）孔便于操作又可作取樣化驗之用。具有傳熱效率高、熱損失少、結(jié)構(gòu)可靠、自清洗功能冷卻器可在確保通道壓力降不大的情況下，適當(dāng)增大液體流速，可以提高傳熱效果。液體呈螺旋形流動，具有自動清洗功能，污垢不易沉積，從而減少了停機檢修，節(jié)約了維修費用。
　　
　　油浸強迫油循環(huán)水冷變壓器具有局放小、噪音低、無局部過熱特點，可在過載30%以下情況下正常時使用而不影響產(chǎn)品壽命;可降低用戶設(shè)備投入成本及變壓器容量基本電費;產(chǎn)品配置主油泵/備油泵，油泵進出管道都配有閥門，即使在不停電的情況下更換油泵也極為便利。
　　
　　6.3現(xiàn)場運行概況
　　
　　合康HIVERT系列水冷高壓變頻器在河北省遷安市鑫達鋼廠已穩(wěn)定運行半年之久，采用水冷結(jié)構(gòu)設(shè)計，體積小，冷卻效率高，在實際應(yīng)用中所表現(xiàn)出優(yōu)異的性能、高可靠的穩(wěn)定性。
　　
　　7結(jié)束語
　　
　　合康HIVERT系列水冷高壓變頻器模塊化硬件設(shè)計和*的軟件特性使得水冷變頻器適用于不同的應(yīng)用場所。全封閉緊湊的柜體設(shè)計適于惡劣環(huán)境，合康HIVERT系列水冷高壓變頻器為大功率變頻器的應(yīng)用提供了*性和可靠性。采用水冷冷卻方式具有良好的綜合性價比的優(yōu)勢，更適合大功率變頻器冷卻系統(tǒng)，可節(jié)約大量的運行費用，更能提高變頻器運行的可靠性，直接水冷有助于使變頻器變得非常緊湊和安靜。水冷使得不再需要在電氣房安裝大功率空調(diào)，并且它的熱傳導(dǎo)非常。