变频器水冷系统改造

主井提升机变频器水冷系统改造

一、背景介绍

高压变频器在运行过程中要产生一定的功耗，一般为其容量的3~5%，这些功耗都变成热量，成为影响高压变频器可靠性的重要因素之一。大功率变频器工作时所产生的热量，将导致器件温度升高，如果没有适当的散热措施及时将热量带走，就可能导致器件温度超过器件所允许的最高温度，从而导致器件性能的恶化甚至损坏。如何把这些热量顺利的从变频器中带出来，是变频器设计中一个非常重要的问题。

所以在设计中，选择适当的散热方式，并进行合理的设计，能有效延长器件使用寿命，是提高变频器可靠性不可缺少的重要环节之一。

高压变频器的散热方式主要以自然冷却、强迫风冷、水冷三种方式为主。随着变频器技术近几年持续的发展，变频器容量的不断提高，强迫风冷散热受散热器面积、环境温度、变频器使用环境、风机体积与噪音等多方面原因影响，已不能完全满足大功率变频器的散热要求。

水冷散热方式具有优异的散热性能和较高可靠性，且对环境适应能力强，所以水冷散热在大功率高压变频器上应用非常必要。

二、水冷与强迫风冷特点对比

水冷冷却方式强迫风冷冷却方式

换热系数3500W/（m2·℃），散热效果好。换热系数为35W/（m2·℃），散热效果较差。

整机外形尺寸小，结构紧凑，节省空间。体积庞大，占地面积大。

水冷设备声音非常小，设备运行环境好，主要动力部件如水泵等采用一用一备方式，可靠性高，稳定性好。设备中有风机，随着变频器功率增大，风机数量越来越多，振动和噪声很大，且风机寿命有时间限制，稳定性差。

变频器不受空间限制，因为配水管道不存在传输距离的限制，且体积小。变频器不宜远置，因为风管传输距离不宜太远，否则风机风压太大，不易选择。

能将系统温度降至室温以下，不受室温限制。散热能力有限，不能将系统温度降至室温以下。

不受环境影响，可以在粉尘及有害气体的环境中正常运行。环境无导电的粉尘及有害气体，粉尘附着到散热器上，增加热阻，影响热量交换与电气绝缘。

适用于各种功率变频器，尤其是大功率和

使用环境恶劣的变频器。

应用于大功率变频器散热效果差。

三、本公司变频器及冷却系统介绍

高河能源有限公司机运一队主井提升机采用西门子公司生产的中压直流电压型sm150变频器，该变频器采用水冷+风冷的冷却方式。如下图所示：

3.1sm150变频器全貌

内水冷冷却水在主循环泵的驱动下，沿管道以恒定的流速通过功率单元散热器，连续不断地带出热量；冷却水升温后沿主管回路进入换热器设备进行热量交换；换热后的冷却水回流至主循环泵的进口，形成一个封闭的循环冷却系统。如图3.2

所示：

3.2水冷系统示意图

功率单元1

热交换器

循环泵

2

图3.2中1是外水冷循环，2是内水冷循环，内水冷循环通过热交换器把热量通过水-水的方式把热量交换给外水冷循环水从而达到给功率单元散热的目的。如下图所示：

图3.3内水冷循环实体图

水冷系统控制模块根据预设的冷却水温度值自动调节换热比例，从而精确地控制水的温度。外水冷循环水升温后，冷却水在循环泵的驱动下，沿管道以恒定的流速通过换热器以水-冷媒的方式把热量进行二次交换；换热后的冷却水回流

图3.4

外水冷循环泵及内水冷循环泵

至主循环泵的进口，形成了另外一个封闭的循环冷却系统。冷媒再通过压缩机及

风扇把热量释放到环境中。

图3.5外水冷循环泵图3.6冷媒冷却设备

四、存在的问题

1、外水冷循环水使用地下水，并且在冬天温度较低时会向外水冷循环水中加入抗冻液乙二醇，循环水及其中的杂质会严重腐蚀外水冷管道。

2、内水冷管道为不锈钢罐道，因高压变频器是在高压的环境下运行，冷却水必须具备极高的电阻率，因此内循环水使用纯净水并在主循环冷却回路上并联了去离子水处理旁路，一定比例的冷却水流经离子交换器，不断去除设备及管路中析出的离子。外水冷管道材料为碳钢，在循环水流的冲洗及其中杂质的腐蚀下，经常出现管道被腐蚀透，导致管道漏水时有发生。

3、热交换器为板式换热器，并且只有一套冷媒冷却设备。

4、外水冷循环有非密封的储水箱，灰尘极易被吹到外水冷循环系统中导致管道堵塞。

五、可能造成的后果

1、碳钢管道极易被锈蚀漏水。

2、大大减少外水冷循环泵的使用寿命。

3、由于高河能源主井提升机主变压器被设计在水冷单元下方的地下室内，一旦管道被锈蚀发生漏水，

极有可能导致循环水滴落至主变压器及其他设备上造

成主变压器损毁。

4、外水冷的热交换器为板式换热器，由于储水箱密封不严导致循环水的杂质增多，极易导致板式换热器堵塞，提升机无法运行。

5、由于只有一套冷媒冷却设备，一旦冷媒冷却设备中有配件发生故障，就会导致冷却设备无法运行，提升机就无法运行。

六、处理办法

1、外水冷循环水也使用纯净水，外水冷循环水中不再添加抗冻液。

2、把外水冷的碳钢管道及管件全部更换为不锈钢材质。

3、另外增加一台水-冷媒冷却设备，旧的冷却设备作为备用。

4、新冷却设备不使用板式换热器，极大的减小了换热器堵塞的几率。

5、新冷却设备不再使用大储水箱，大大缩小了外置储水箱的尺寸，由400L 减小到10L 。

七、改造后的效果图如下：

图7.1

全部更换为不锈钢管道

图7.2

在旧冷媒冷却设备左侧增加一部新冷媒冷却设备

图7.3左侧冷媒设备运行时关闭阀门1和阀门2，右侧冷媒设备运行时关闭阀门3和4

八、改造后设备的有点及取得的效益

1、管道回路中的所有器件均采用不锈钢材质，不锈钢具有极好的抗锈蚀及耐磨性能，能够极大的减少循环水和杂质对管道的腐蚀及磨损。

2、当运行时的冷媒冷却设备发生故障，可以立即切换至备用设备上，不会影响主井提升机运行。

3

、减小了灰尘等杂物进入外水冷循环水的概率，管道堵塞的风险减小。