变频器冷却系统改造*

代续续，刘 奇，宋昊明

(兰州石化公司设备维修公司电气车间，甘肃 兰州 730060)

1 引言

随着现代电力电子技术和微电子技术的迅猛发展，变频器已经广泛应用于在电力、化工、煤矿、冶金等工业生产领域。影响变频器的可靠性指标有多项，其中散热与通风是一个至关重要的环节。据资料表明，在变频器运行过程中，其故障随温度升高而成指数上升;使用寿命随温度升高而成指数下降[1]。兰州石化公司助剂厂使用的施耐德变频器(AItivar61400kW)，容量大，运行电流也大，产生的热量也是非常大的，因为温度过高，经常导致变频器过热保护动作跳闸。所以，为保证设备的正常工作，把大量的热量散发出去，设计优良的散热冷却方式，实现设备的高效散热，对于提高设备的可靠性十分必要。

2 变频器常用冷却方式

变频器的发热部件主要是两部分:一是整流变压器，二是功率元件。功率元件的散热方式是关键。根据变频器应用经验的积累，常用的几种冷却方式主要包括:风道开放式冷却;空调密闭冷却;空－水冷密闭冷却;设备本体水冷却;上述方式组合冷却等[3]。针对不同的应用环境，现代变频器一般采用空气冷却或者水冷。对于水冷装置，需要在室外安装一个水－空冷装置，把热水变成凉水。对于空气冷却的装置，如果散热量较大，需要安装风道，把热空气直接排出室外，否则，热空气会在室内聚集，造成室温升高。若考虑使用室内空调机降温，事实证明在大功率变频器应用中，需要较大的空调配置，是不经济的。如果用户工厂内有冷却水，建议用户采用水－空冷装置，这种装置类似于工厂的空调装置，在水管上镶嵌散热片，在水管内通入冷水，冷水的流量要足够大，保证散热片较低的温度，变频器散出来的热风进入散热片，经过散热片后变成了凉风。应该说，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。

3 助剂厂变频器冷却系统改造

3.1 概 述

助剂厂二套甲乙酮原料进料泵电机采用变频器(施耐德AItivar61400kW)变频起动，自投入运行后，因变频器内冷却风机功率较小，无法将变频器元件结温冷却，使变频器出现发热现象，机身温度高达85℃，影响变频器的正常运行。经过分析研究，决定对变频器开关柜冷却系统进行技术攻关改造。

3.2 问题分析

针对变频器温度高，运行过程中存在生产隐患这一事实，做了详细的调查分析，发现原设计存在以下问题。

(1)该变频器(施耐德AItivar61400kW)容量大，运行电流也大，所以，产生的热量也非常大。变频器安装在仪表厂设计制造的SIVACON 8PT低压开关柜内，变频器散热完全依靠自身的冷却风机将内部的热量排出，但因为柜内空间狭小，空气循环较差，热量不能及时散发，使得变频器温度不断上升。

(2)助剂厂二套甲乙酮变电所内开关柜数量多，负荷重，柜体散热量大，室内温度高，加剧了该变频器温度上升的程度。由于变频器对温度有连锁保护功能，当温度过高时，易造成变频器自动跳闸，造成生产停工事故。

3.3 解决方案

为了解决以上问题，先后在助剂厂二套甲乙酮变电所内加装了多台大功率轴流风机强行通风散热，都没有从根本上解决变频器的温度问题。为了彻底消除设备隐患，提出以下两种空气冷却散热解决方案。

3.3.1 加装强迫冷却轴流风机的散热方式

该冷却方式指冷风经变频器通风入口滤网进入变频器，经对机体进行冷却后，再由变频器风道出口将热风排出。这种冷却方式安装比较简单，只需在变频器开关柜上开个通风入口，安装上滤网，然后在变频器柜体向外引出出风口风道即可。如图1所示。

图1 变频器开关柜强迫风机原理图

一般而言，具体进风口的面积需要根据具体的实际情况来定。热风出口的通道与外界最好是直通，没有转折点，也可在出风口加装轴流风机，冷却效果更加明显。风机散热的方式，其特点是施工简单，成本低，可靠性高，散热效果良好。

3.3.2 加装空调的冷却散热方式[2]

在变电所室内加装空调，要求室内面积要尽可能的小，密封效果要好，同时还要避免夏季室外温度高带来的加热效应。空调的位置一般最好安装在变频器的两侧也可安装在变频器的背面。空调散热的方式，其特点是高速高效制冷，室温均匀，室内密封冷却，而且室内环境清洁，但是其空调费用高，运行费用太高。

助剂厂二套甲乙酮变电所内有400kW变频器三台，房屋面积为:

15m×8m×4m=480(m3)

制冷量按150W/m2计算变电所自冷损耗需:

Qf=S×150=480×150=7.2(kW)

变频器额定发热总量:

Qb=P(额定容量)×4%=400×4%×3=48(kW)

说明该变电所内的有效制冷量至少需要:

Q=Qf+Qb=7.2+48=55.2(kW)

根据上述计算，考虑到变电所内的系统热交换效率不可能为1，其系统效率按70%的典型值核算制冷功率:

根据空调的选型规格和能效比参数，考虑到变频器不可能长期处于100%负载运行，因此选择5P空调设备，每台额定制冷量12kW。空调数量:

即:如果实现变电所内环境温度控制至少需要安装7台5P的空调设备。变频器采用空调冷却时，电网内侧单位功耗:

即:每天(24h)空调耗电量为806.4kW·h。按照每年变频器有效运行280天，每年变频器冷却需要消耗电能Q=225792kW·h，按电价0.35元/度计算，折合7.9万元。按照1台5P空调0.86万元计算，采用空调冷却的设备总投资为13.92万元。

经过多方面论证比较，采用第一种解决方案进行改造。

3.4 实施措施

3.4.1 改造思路

将变频器冷却系统改造为集中强制风冷，变频器开关柜上部加装强迫冷却风机及过滤网，变频器的热风通过风道排出如图2所示。

图2 变频器开关柜冷却系统改装图

3.4.2 改造方案

(1)设计安装强迫冷却风机。将变频器冷却系统改造为集中强制风冷，变频器柜内上部加装风罩及风道，通过4台7.5kW强迫冷却风机进行通风冷却，变频器的热风通过风道排出。

(2)设计改造控制线路图。强迫冷却风机电源引自原控制回路微型断路器的进线侧，并联接线，这样冷却风机在工作时不会受变频器影响，如图3所示。

图3 强迫冷却风机控制回路接线图

3.5 运行效果分析

系统改进后，解决了变频器长期处于超温状态运行，摆脱了变频器对自身风机的依赖，改造后的冷却系统操作简单，维护方便。

3.6 预期效果

经过攻关改造，按期达到了活动目标，改造后的变频器冷却系统运行安全、可靠，解决了变频器发热。使变频器的温度控制在允许的环境温度范围内。保证了装置生产的安全、平稳和可靠。

4 总结

改造完成后，该系统已平稳运行超过16000h，解决了变频器运行中的温度过高问题。使变频器运行可靠性提高，冷却系统的改造效果明显，从根本上解决了因变频器超温跳闸的装置非计划停工，大大提高了变频器的安全稳定性、实现节能效益最大化。为装置生产的安、稳、长周期运行提供有力的保证。

[1]刘美俊.变频器常见故障分析与预防措施[J].组合机床与自动化加工技术，2002(11):61－63.

[2]庞茶宝，吴张永，李健锋，等.变频器使用常见故障原因及测试[J].机械，2007(5):59－61.

[3]方大千.变频器、软起动器及PLC实用技术问答[M].北京:人民邮电出版社，2007.

[4]仲明振.低压变频器应用手册[M].北京:机械工业出版社，2009.

[5]孟晓芳.变频器应用与维修[M].北京:机械工业出版社，2011.