合康HIVERT系列水冷大功率高壓變頻器的應(yīng)用

摘要：散熱問題是困擾大功率高壓變頻器安全運(yùn)行的重要部分，本文主要介紹合康HIVERT系列水冷高壓變頻器散熱的優(yōu)越性及現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用。

1、引言

隨著高壓變頻器在各個(gè)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(yùn)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，無疑水冷是最好散熱方式。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(dá)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(shí)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(xiàng)。大功率半導(dǎo)體器件工作時(shí)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�熱措施，就可能使芯片溫度超過最高允許溫度值，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(jì)中，選擇適當(dāng)?shù)纳�熱方式，并進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，是使器件的潛力得到充分發(fā)揮，提高電路可靠性不可缺少的重要環(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(jī)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(gè)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(gè)偏負(fù)壓區(qū)域，在運(yùn)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(jìn)行冷卻，形成氣流短路，風(fēng)不能達(dá)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(shí)，風(fēng)扇產(chǎn)生震動(dòng)，噪聲增大最后停轉(zhuǎn)，變頻器出現(xiàn)單元過熱跳閘。

4、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(jìn)上出風(fēng)結(jié)構(gòu)，這樣與變頻器側(cè)進(jìn)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完全是空調(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(gè)冷卻系統(tǒng)的運(yùn)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(fèi)，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(yùn)行費(fèi)用非常昂貴，空調(diào)設(shè)備的可靠性和運(yùn)行安全系數(shù)也直接影響變頻器的安全和穩(wěn)定運(yùn)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(jìn)行熱交換，由交換器內(nèi)部的冷卻水管道與熱空氣進(jìn)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(shí)，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(dá)到的溫度，否則，無法達(dá)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(shí)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(yùn)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(jì)，增加了設(shè)備成本；同時(shí)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(gè)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(shí)，水冷系統(tǒng)會自動(dòng)啟動(dòng)加熱器，同時(shí)將散熱外水通過旁路管道直接回流，當(dāng)水溫高于25℃時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉加熱器，根據(jù)溫度的大小，自動(dòng)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(gè)系統(tǒng)工作在最佳溫度點(diǎn)，而風(fēng)冷系統(tǒng)對外界環(huán)境波動(dòng)敏感，不易保持在最佳工作點(diǎn)。對于電子控制系統(tǒng)，工作在最佳溫度點(diǎn)意味著高可靠性和最長的使用壽命。

（2）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)最佳工作點(diǎn)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(yùn)行費(fèi)用高。

（3）風(fēng)冷系統(tǒng)靠外風(fēng)循環(huán)，對室內(nèi)環(huán)境要求嚴(yán)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