高压变频器的集中冷却技术

一、引 言

在电力、化工、煤矿、冶金等工业生产领域要求高压变频器有极高的可靠性。影响高压变频器的可靠性指标有多项，其中在设计过程中其散热与通风是一个至关重要的环节。目前高压变频器有高-低-高式、元件直接串联式、中点箝位多电平式、单元级联式等多种方式，一般来讲，上述各种方式的高压变频器，其效率一般都可达到 96～98%；但由于设备功率大，在正常工作时，仍要产生大量的热量。为保证设备的正常工作，把大量的热量散发出去，优化散热与通风方案，进行合理的设计与计算，实现设备的高效散热，对于提高设备的可靠性是十分必要的。

高压变频器设备功率较大，4%的功率损耗主要以热量形式散失在运行环境当中。如果不能及时有效的解决变频器室的工作环境温度问题，将直接危及变频器本体的运行安全；最终因为温度过高，导致变频器过热保护动作跳闸。为保证变频器具有良好的运行环境，必须对变频器及运行环境的温度控制采取措施。

二、冷却方式

通过变频器工程应用经验的积累，针对不同的应用环境现场提供完整的变频器冷却系统解决方案。常用的几种冷却方式主要包括：⑴ 风道开放式冷却；⑵ 空调密闭冷却；⑶ 空-水冷密闭冷却；⑷ 设备本体水冷却；⑸ 上述方式组合冷却。

1. 风道开放式冷却

1.1 冷却过程

冷风经变频室通风入口滤网进入变频器，经过对机体进行冷却后，再由变频器风道出风口将热风排出。

1.2 安装方式

风道开放式冷却安装比较简单，只需在变频室的墙壁上开两个通风入口，安装上滤网，然后在变频器的柜顶风罩上向外引出出风口风道即可，如下图1所示：

图1

1.3 系统特点

(1)施工简单，维护量大；

(2)费用低廉；

(3)运行稳定性依赖于当地环境。

2. 空调密闭冷却

2.1 容量选择原则

按照变频器的发热量和控制室环境实用面积来选择空调的容量。

2.2 安装方式

变频器室安装空调时，要求变频器控制室空间要尽可能小，并且做好密封，避免夏季室外温度高带来的加热效应。空调的安装位置可根据现场实际情况布置在变频器两侧。具体设备布局如下图2所示。

图2

2.3 系统特点

(1)急速高效制冷；

(2)童锁功能，防止误操作；

(3)广角送风，室温均匀舒适；

(4)防冷风设计，送风舒适；

(5)独立除湿；

(6)低温、低电压启动；

(7)室外机耐高温运转；

(8)室内密闭冷却；

(9)冷却功率留有余量。

3. 空-水冷密闭冷却

3.1 基本原理

空-水冷却系统是一种利用高效、环保、节能的冷却系统，其应用技术在国内处于领先地位。其外形及原理如下图3所示：

图3

从变频器出来的热风，经过风管连接到内有固定水冷管的散热器中，散热器中通过温度低于33℃的冷水，热风经过散热片后，将热量传递给冷水，变成冷风从散热片吹出，热量被循环冷却水带走，保证变频器控制室内的环境温度不高于40℃。

安装空冷器要求必须在密闭环境中，为了提高冷却效果，安放设备的空间尽可能小。流入空冷器的水为工业循环水，为保护设备，要求循环水的PH值为中性，且无腐蚀损坏铜铁的杂质，进水的水压一般为0.2～0.3Mpa，进水温度≤33℃。

空冷器的维护简单易行，一般半年维护1次，进行冷却管道冲洗。

3.2 施工安装

单套系统一台变频器配备两台空冷器；单台故障时，不会对系统产生较大影响。具体设备布局如图4、5所示。空冷器的安装位置可根据现场实际情况布置在变频器正面或背面。

图4

图5

假如现场供水量不足，为适应现场情况，还可提供独立的冷却水系统方案。该方案在现有冷却系统基础上增加独立的机力冷却塔、水处理装置、增压泵站等设备，满足现场设备变频改造项目独立冷却的要求，同时还可为现场工业冷却水系统保留一定的冷却水量为现场今后增加设备提供相应的冷却水量裕度。

图6 升压泵现场图

3.3 安全性能评价

设备整体安装于高压变频配电室墙外，采用风道与变频器的柜顶排气口直接连接，提高了冷却器的设备运行效率，能够对变频器排出的热气直接降温处理。同时，避免冷却水管线在高压室内布局容易出现破裂后漏水危及高压设备运行安全的严重事故发生。在空—冷系统的设计当中，为了防止空冷器出口侧凝露冷风带水排入室内，对空冷器的出风口、风速等指标进行设计计算；保证良好的排压情况下，运行安全稳定。另外，为防止空冷器漏水后进入室内，在空冷器的出口侧设置了淋水板；当漏水或有积水时，可以直接排向室外。完整的冷却系统解决方案，有效减低了辅助系统的故障率以及对主要设备的运行安全影响程度。

3.4 系统特点

(1)设备安装简单、快捷；

(2)设备使用寿命长、故障率低、性能可靠；

(3)设备的运营成本是同等热交换功率空调的1/3～1/4倍；

(4)室内密闭冷却、干净卫生，变频器维护量低；

(5)无需滤网清洗；

(6)事故情况下可采用通风冷却，不影响设备安全；

(7)冷却功率留有余量。

4. 设备本体水冷却

从散热的角度来说，水冷是非常理想的。但是，水循环系统工艺要求高，安装复杂，维护工作量大，而且一旦漏水，会带来安全隐患。所以，能够用空气冷却解决问题的场合，就不要采用水冷。

图7

5. 冷却系统指标及运行成本比较

各种冷却方式的指标及运行成本比较见下表所示：

三、结束语

根据南北方地域、温度、湿度、设备安全等多方面因素，秉承"适合的才是最好的"服务理念，根据用户的实际需求提供完美的高压变频冷却系统解决方案，力求做到系统最优、安全稳定、经济性高。

在1600kW以上大功率、超大功率高压变频器当中，空-水冷却系统方案仍具有较强的适应性和技术优势。在山西某电厂2×3400kW引风机变频器项目中充分证明：采用完全密闭的空水冷却方式，运行效果极佳，安全度高，充分显示出该种冷却在大功率、超大功率产品应用中的优势，大大提高了产品的安全稳定性能，且节约了大量的二次能耗和维护成本，体现了项目良好的综合经济效益。总之，开发和选择新型高效散热技术对高压变频器进行冷却，是提高设备可靠性的一个重要措施。