高压变频器冷却方式的改进应用

王川江

（新疆昌源水务集团有限公司，新疆 昌吉 830000）

高压变频器冷却方式的改进应用

王川江

（新疆昌源水务集团有限公司，新疆 昌吉 830000）

根据新疆五彩湾二级供水工程当地工作人员对变频器运行过程中出现的问题的描述反馈，及设计技术人员现场的实地考察，确定高压变频器风道开放式冷却方式在实际工程中存在缺陷。通过对比分析现今国内外主流的变频器冷却方式的不同原理和应用条件，及实验室多次仿真模拟试验，找出适合新疆五彩湾当地环境条件和技术条件下的最佳变频器冷却方式——空-水冷冷却方式，并在五彩湾二级供水工程一级泵站中进行实际应用改进。

供水工程 高压变频器 冷却散热 风道开放式冷却 空-水冷冷却

0 引言

高压变频器在市政供水工程中的实际应用越来越广泛。因此，对其稳定性能的要求也越来越高，而冷却散热则是影响变频器稳定性能的重要指标。本文结合新疆准东五彩湾供水工程二级泵站中风道开放式冷却实际出现的问题，对一级泵站变频器冷却方式进行改进，保证变频器运行中的稳定性能。

1 工程分析

1.1 工程概述

五彩湾二级供水工程位于新疆准东煤电煤化工产业带五彩湾工业园区，近期建设规模8 700万m3/年，远期建设规模13 000万m3/年。供水系统从五彩湾蓄水池分水口引水，供水干管沿规划的五彩路敷设至湖北宜化公司五彩湾部，管道总长约19 km，途经各企业时预留分水口。系统共设二级加压泵站。第二级加压泵站已于2011年投入运行，其总装机容量为4×2 000 kW。泵站近期装设3台泵组（2用1备），远期增加1台泵组（3用1备），设计流量参数为3.860 m3/s，扬程118 m。一级加压泵站目前已设计施工完毕，近期装2×2 000 kW +2×1 000 kW泵组（3用1备），设计流量为2.759 m3/s，远期增加1台2 000 kW泵组（4用1备），设计流量为4.122m3/s，扬程96m。一级泵站和二级泵站所有泵组高压电机均采用变频方式运行。

1.2 问题分析

通过现场工作人员每日的实测记录和观察发现，二级加压泵站自运行以来出现的问题汇总如下。

①高压变频设备故障率比较高，尤其是在夏季高温季节，机组设备跳闸频繁，经常进行维护和翻修。

②变频器室风沙较大，地面上经常有很重的灰尘和细小颗粒，虽然后期及时安装防风百叶窗，但仍然解决不了问题。由于变频器散热等原因，其防护等级一般不超过IP2X，房间内灰尘极易附着在变频器内，对变频器产生极大的安全隐患。

对问题一进行分析。高压变频器最大散热功率一般是变频器额定功率的4％，即3×2 000×4％=240 kW。同时，考虑到在夏天高温季节且在供水高峰期阶段，加上二次风机及房间的散热，散发的热量预计可到300 kW。变频设备散发的热量大且不能及时冷却降温，当变频器设备处于温度异常状态运行时，报警信号自动跳闸进行自我保护。所以问题一出现的主要原因是变频器设备冷却效果不好，热量散发不出去［1］。

对问题二进行分析。新疆五彩湾地处戈壁荒漠地带，属中温带大陆性干旱气候，最高/低气温：+41.2/－49.8℃，常年多风，风力一般为4～5级，经常有7～8级大风，最大可达10级以上，且地处戈壁滩，风中含沙尘较多。变频器热风经风道排出后，变频器室产生负压，风沙灰尘会同冷风一起从进风口进入变频器室，从而进入变频柜。虽然采用防风沙百叶窗进行改良，但是由于房间负压进风，外界风沙过大，依然无法解决细小灰尘的进入，解决不了实际问题。所以问题二出现的主要原因是冷却装置进风口直接排向室外，受到外界环境影响较大［2］。

综上所述，两个问题均是由变频器冷却方式引起。供水工程二级加压泵站变频器采用的是风道开放式冷却，这种冷却方式直接在变频器墙壁上开通风口，冷风经变频室通风入口滤网进入变频器，对机体冷却后再由变频器风道出风口将热风排出［3］。虽然这种冷却方式安装简单，费用低廉，但是这种冷却方式直接将入风口、出风口开向外界环境，高压变频器运行的稳定性受泵站周边地区环境影响较大。

风道开放式冷却过程如图1所示。

图1 风道开放式冷却过程Fig.1 Air duct open type cooling process

2 工程改进

结合当地环境条件及所述原因，必须对五彩湾供水工程一级泵站高压变频器的冷却方式进行改进。目前，国内高压变频器常用的冷却方式主要有4种：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［4］。

其中，风道开放式冷却不适用于环境条件特殊的五彩湾地区。空调密闭冷却显然是通过空调降温对室内环境及变频器进行降温。通过分析，变频器室产生的热量高达 300 kW，而1P空调的制冷量大约为2.3 kW，采用空调密闭冷却需要空调设备，成本太高，不太现实。设备本体水冷却虽然冷却效果好，但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。一般不建议采用设备本体水冷却方式。下面详细介绍空-水冷冷却方式。

2.1 空-水冷冷却原理

空-水冷冷却是将水作为冷却介质在热交换器内流动，而被冷却的风（空气）在热交换器外流动，通过流动进行冷却。从变频器出来的热风连接到散热器，热风经散热片后将热量传递给散热片中的冷水，变成冷风吹出，热量被循环冷却水带走，保证变频器控制室内环境温度不高于40℃［5］。

空-水冷冷却采用独立封闭冷却装置，变频器通过专门管道与冷却装置相连接。它的冷却循环分为外循环过程（风路）和内循环过程（水路）两个过程。

①外循环过程（风路）

变频器柜和功率柜内产生的热空气进入风道管，通过风道管进入空水冷却装置；空水冷却装置进行冷却后的冷空气再次进入变频器和功率柜，对变频器进行冷却，产生的热空气再次进入风道管，如此循环进行冷却［6］。

空-水冷风路循环过程示意图如图2所示。

②内循环过程（水路）

内循环过程主要是针对空水冷冷却装置内部的循环，是空-水冷冷却装置的原理过程。温度比较低的冷却水由空-水冷冷却装置进入换热器，通过换热流出；而被加热的冷却水流到冷却塔进行冷却，经冷却降温的冷却水经水泵再次进入换热器对循环空气冷却，如此循环［7］。

空-水冷水路循环过程示意图如图3所示。空-水冷冷却方式设备应用技术在国内处于领先地位，它具有如下特点：

①安装简单、快捷，故障率低；

②采用专用管道冷却，不受外界影响；

③通过内部循环冷却，空气比传统直接外界通风冷却清洁，滤网免清洗周期长，变频器维护量低；

④冷却水管线不在柜体高压区内布置，可防止漏水等危及高压器件的运行。

通过分析比较4种冷却方式，五彩湾供水工程一级泵站高压变频器最适合的冷却方式是空-水冷冷却。

2.2 空-水冷冷却应用

本工程一级加压泵站变频器共有4台变频器机组（2×2 000 kW+2×1 000 kW），每台配置一套空水冷却装置，4台空水冷装置的进出水口并联在总进出水管上。单台变频器故障时，可以启动备用变频器，不会对冷却装置产生影响。

空-水冷冷却水需要满足以下几个条件。

①现场必须有提供工业冷却水的条件，且水温不能高于30℃。

②冷却系统换热器入口水压及回水水压必须满足以下数值范围：入口水压0.3～0.6 MPa，回水压力0.08～0.15MPa。

③冷却水要求pH值大于7.2，水质没有大的悬浮物和杂质等。

④冷却水的循环冷却水量≥90m3/h［8］。

在工程现场进行安装时需要采用以下措施。

①变频器与热交换器需要分开两排布置，两者安装间距必须相隔2m以上。热交换器柜需要设置排水沟，防止冷却水漏水。同时，可以收集冷却凝结水，避免漏水或者管道破裂等引起安全事故发生。

②在总的进水口、出水口必须设置蝶阀。为了保证流量要求，管道的管径必须通过计算确定，通过计算为DE140管材。

③为实现自动监测各指标数据，及时发现并解决问题，在总进水口设置流量检测仪、压力检测仪、温度检测仪等仪表装置［9］。

五彩湾供水工程一级泵站施工已经完成，通过试运行检验及现场温度测试发现，设备运行正常，没有出现变频器高温跳闸现象；室内环境卫生干净，没有出现风沙灰尘多的现象。由此可知，相比风道冷却，空-水冷冷却的效果令人满意，但运行是否存在其他问题有待泵站长时间运行检验。

与已经运行的二级泵站中的风道冷却方式相比，实际工程一级泵站中的空-水冷冷却具有以下优点。

① 空-水冷冷却采用室内密闭冷却方式，干净卫生，变频器维护量低。

②空-水冷冷却无需清洁滤网，只需要定期（每隔一年或更长时间）清洗管道［10］。

③ 如果发生事故，空-水冷冷却方式可紧急采用自然通风冷却，不会影响设备，降低事故发生几率。

虽然空-水冷冷却装置设备投资和运营费用比风道开放式冷却高，但考虑到实际工程中必须追求长远期的综合效益。从五彩湾的环境特点、供水的长期稳定性和生产效益来看，空-水冷冷却方式在新疆五彩湾供水工程中均具有明显的优势。

3 结束语

通过4种不同冷却方式的深入分析，以及在实验室的模拟仿真对比，充分显示出空-水冷冷却方式在环境条件恶劣地带应用中的明显优势，其应该在恶劣环境及大功率产品中得到广泛的应用。结合五彩湾二级供水工程所处地域环境、设备安全、综合效益等多方面因素考虑，空-水冷冷却均具有明显的优势，它在实际应用中避免了外界环境影响，提高了产品的安全稳定性能，节约了二次能耗和维护成本，综合效益得到很大的提高。另外，这种通过实际工程后的评价对其他相同环境的类似项目进行改进的方式，具有非常重要的现实意义，极大地节约了工程的成本。

［1］戴至前.大功率变频器的冷却问题［J］.变频器世界，2012（8）：81－83.

［2］代续续，刘奇，宋昊明.变频器冷却系统改造［J］.机械研究与应用，2013（1）：109－111.

［3］仲明振.低压变频器应用手册［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［4］孟晓芳.变频器应用与维修［M］.北京：机械工业出版社，2011.

［5］胡建辉，李锦庚，邹继斌，等.变频器中的IGBT模块损耗计算及散热系统设计［J］.电工技术学报，2009，24（3）：159－163.

［6］李文顶.中压矿用变频器主电路损耗分析及散热设计［D］.上海：上海交通大学，2009.

［7］黄炜，何人望，周瑜.高压变频器散热系统的研究与设计［J］.华东交通大学学报，2006，23（5）：105－108.

［8］赵晓军，余莉.热管的电子设备冷却技术［J］.世界科技研究与发展，2007，29（6）：19－23.

［9］黄碧霞，陈阳生.一种三相逆变器损耗分析方法［J］.微电机，2009，42（9）：49－52.

［10］张植保.变压器原理与应用［M］.北京：化学工业出版社，2007.

Improvement and Application of the Cooling Mode for High Voltage Inverter

In accordance with the problems reflected by the local operators and the field investigation of the designing technicians for the inverters in Xinjiang Wucaiwan secondary water supply project，the defects are found in high voltage inverter air duct open type coolingmode.Through analyzing the different principles and operation conditions of the coolingmodes thatmostly and globally used for inverters，and testing by simulation，the best coolingmode of the invertermostly suitable is found for environmental conditions and technical background of Xinjiang Wucaiwan，i.e.，air-water coolingmode.The practical improvement is conducted in primary pumping station of this secondary water supply project.

Water supply project High voltage inverter Cooling and dissipating Air duct open type coolingmode Air-water coolingmode

TU85

A

修改稿收到日期：2014－02－17。

作者王川江（1966－），男，2001年毕业于首都经贸大学经济管理专业，获硕士学位，高级工程师；主要研究方向为水利水电工程技术及应用。