變頻器冷卻系統(tǒng)改造*

代續(xù)續(xù)，劉 奇，宋昊明

(蘭州石化公司設備維修公司電氣車間，甘肅 蘭州 730060)

1 引言

隨著現(xiàn)代電力電子技術和微電子技術的迅猛發(fā)展，變頻器已經(jīng)廣泛應用于在電力、化工、煤礦、冶金等工業(yè)生產(chǎn)領域。影響變頻器的可靠性指標有多項，其中散熱與通風是一個至關重要的環(huán)節(jié)。據(jù)資料表明，在變頻器運行過程中，其故障隨溫度升高而成指數(shù)上升;使用壽命隨溫度升高而成指數(shù)下降[1]。蘭州石化公司助劑廠使用的施耐德變頻器(AItivar61400kW)，容量大，運行電流也大，產(chǎn)生的熱量也是非常大的，因為溫度過高，經(jīng)常導致變頻器過熱保護動作跳閘。所以，為保證設備的正常工作，把大量的熱量散發(fā)出去，設計優(yōu)良的散熱冷卻方式，實現(xiàn)設備的高效散熱，對于提高設備的可靠性十分必要。

2 變頻器常用冷卻方式

變頻器的發(fā)熱部件主要是兩部分:一是整流變壓器，二是功率元件。功率元件的散熱方式是關鍵。根據(jù)變頻器應用經(jīng)驗的積累，常用的幾種冷卻方式主要包括:風道開放式冷卻;空調(diào)密閉冷卻;空－水冷密閉冷卻;設備本體水冷卻;上述方式組合冷卻等[3]。針對不同的應用環(huán)境，現(xiàn)代變頻器一般采用空氣冷卻或者水冷。對于水冷裝置，需要在室外安裝一個水－空冷裝置，把熱水變成涼水。對于空氣冷卻的裝置，如果散熱量較大，需要安裝風道，把熱空氣直接排出室外，否則，熱空氣會在室內(nèi)聚集，造成室溫升高。若考慮使用室內(nèi)空調(diào)機降溫，事實證明在大功率變頻器應用中，需要較大的空調(diào)配置，是不經(jīng)濟的。如果用戶工廠內(nèi)有冷卻水，建議用戶采用水－空冷裝置，這種裝置類似于工廠的空調(diào)裝置，在水管上鑲嵌散熱片，在水管內(nèi)通入冷水，冷水的流量要足夠大，保證散熱片較低的溫度，變頻器散出來的熱風進入散熱片，經(jīng)過散熱片后變成了涼風。應該說，從散熱的角度來說，水冷是非常理想的。但是，水循環(huán)系統(tǒng)工藝要求高，安裝復雜，維護工作量大，而且一旦漏水，會帶來安全隱患。所以，能夠用空氣冷卻解決問題的場合，就不要采用水冷。

3 助劑廠變頻器冷卻系統(tǒng)改造

3.1 概 述

助劑廠二套甲乙酮原料進料泵電機采用變頻器(施耐德AItivar61400kW)變頻起動，自投入運行后，因變頻器內(nèi)冷卻風機功率較小，無法將變頻器元件結(jié)溫冷卻，使變頻器出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，機身溫度高達85℃，影響變頻器的正常運行。經(jīng)過分析研究，決定對變頻器開關柜冷卻系統(tǒng)進行技術攻關改造。

3.2 問題分析

針對變頻器溫度高，運行過程中存在生產(chǎn)隱患這一事實，做了詳細的調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)原設計存在以下問題。

(1)該變頻器(施耐德AItivar61400kW)容量大，運行電流也大，所以，產(chǎn)生的熱量也非常大。變頻器安裝在儀表廠設計制造的SIVACON 8PT低壓開關柜內(nèi)，變頻器散熱完全依靠自身的冷卻風機將內(nèi)部的熱量排出，但因為柜內(nèi)空間狹小，空氣循環(huán)較差，熱量不能及時散發(fā)，使得變頻器溫度不斷上升。

(2)助劑廠二套甲乙酮變電所內(nèi)開關柜數(shù)量多，負荷重，柜體散熱量大，室內(nèi)溫度高，加劇了該變頻器溫度上升的程度。由于變頻器對溫度有連鎖保護功能，當溫度過高時，易造成變頻器自動跳閘，造成生產(chǎn)停工事故。

3.3 解決方案

為了解決以上問題，先后在助劑廠二套甲乙酮變電所內(nèi)加裝了多臺大功率軸流風機強行通風散熱，都沒有從根本上解決變頻器的溫度問題。為了徹底消除設備隱患，提出以下兩種空氣冷卻散熱解決方案。

3.3.1 加裝強迫冷卻軸流風機的散熱方式

該冷卻方式指冷風經(jīng)變頻器通風入口濾網(wǎng)進入變頻器，經(jīng)對機體進行冷卻后，再由變頻器風道出口將熱風排出。這種冷卻方式安裝比較簡單，只需在變頻器開關柜上開個通風入口，安裝上濾網(wǎng)，然后在變頻器柜體向外引出出風口風道即可。如圖1所示。

圖1 變頻器開關柜強迫風機原理圖

一般而言，具體進風口的面積需要根據(jù)具體的實際情況來定。熱風出口的通道與外界最好是直通，沒有轉(zhuǎn)折點，也可在出風口加裝軸流風機，冷卻效果更加明顯。風機散熱的方式，其特點是施工簡單，成本低，可靠性高，散熱效果良好。

3.3.2 加裝空調(diào)的冷卻散熱方式[2]

在變電所室內(nèi)加裝空調(diào)，要求室內(nèi)面積要盡可能的小，密封效果要好，同時還要避免夏季室外溫度高帶來的加熱效應?？照{(diào)的位置一般最好安裝在變頻器的兩側(cè)也可安裝在變頻器的背面?？照{(diào)散熱的方式，其特點是高速高效制冷，室溫均勻，室內(nèi)密封冷卻，而且室內(nèi)環(huán)境清潔，但是其空調(diào)費用高，運行費用太高。

助劑廠二套甲乙酮變電所內(nèi)有400kW變頻器三臺，房屋面積為:

15m×8m×4m=480(m3)

制冷量按150W/m2計算變電所自冷損耗需:

Qf=S×150=480×150=7.2(kW)

變頻器額定發(fā)熱總量:

Qb=P(額定容量)×4%=400×4%×3=48(kW)

說明該變電所內(nèi)的有效制冷量至少需要:

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

根據(jù)上述計算，考慮到變電所內(nèi)的系統(tǒng)熱交換效率不可能為1，其系統(tǒng)效率按70%的典型值核算制冷功率:

根據(jù)空調(diào)的選型規(guī)格和能效比參數(shù)，考慮到變頻器不可能長期處于100%負載運行，因此選擇5P空調(diào)設備，每臺額定制冷量12kW?？照{(diào)數(shù)量:

即:如果實現(xiàn)變電所內(nèi)環(huán)境溫度控制至少需要安裝7臺5P的空調(diào)設備。變頻器采用空調(diào)冷卻時，電網(wǎng)內(nèi)側(cè)單位功耗:

即:每天(24h)空調(diào)耗電量為806.4kW·h。按照每年變頻器有效運行280天，每年變頻器冷卻需要消耗電能Q=225792kW·h，按電價0.35元/度計算，折合7.9萬元。按照1臺5P空調(diào)0.86萬元計算，采用空調(diào)冷卻的設備總投資為13.92萬元。

經(jīng)過多方面論證比較，采用第一種解決方案進行改造。

3.4 實施措施

3.4.1 改造思路

將變頻器冷卻系統(tǒng)改造為集中強制風冷，變頻器開關柜上部加裝強迫冷卻風機及過濾網(wǎng)，變頻器的熱風通過風道排出如圖2所示。

圖2 變頻器開關柜冷卻系統(tǒng)改裝圖

3.4.2 改造方案

(1)設計安裝強迫冷卻風機。將變頻器冷卻系統(tǒng)改造為集中強制風冷，變頻器柜內(nèi)上部加裝風罩及風道，通過4臺7.5kW強迫冷卻風機進行通風冷卻，變頻器的熱風通過風道排出。

(2)設計改造控制線路圖。強迫冷卻風機電源引自原控制回路微型斷路器的進線側(cè)，并聯(lián)接線，這樣冷卻風機在工作時不會受變頻器影響，如圖3所示。

圖3 強迫冷卻風機控制回路接線圖

3.5 運行效果分析

系統(tǒng)改進后，解決了變頻器長期處于超溫狀態(tài)運行，擺脫了變頻器對自身風機的依賴，改造后的冷卻系統(tǒng)操作簡單，維護方便。

3.6 預期效果

經(jīng)過攻關改造，按期達到了活動目標，改造后的變頻器冷卻系統(tǒng)運行安全、可靠，解決了變頻器發(fā)熱。使變頻器的溫度控制在允許的環(huán)境溫度范圍內(nèi)。保證了裝置生產(chǎn)的安全、平穩(wěn)和可靠。

4 總結(jié)

改造完成后，該系統(tǒng)已平穩(wěn)運行超過16000h，解決了變頻器運行中的溫度過高問題。使變頻器運行可靠性提高，冷卻系統(tǒng)的改造效果明顯，從根本上解決了因變頻器超溫跳閘的裝置非計劃停工，大大提高了變頻器的安全穩(wěn)定性、實現(xiàn)節(jié)能效益最大化。為裝置生產(chǎn)的安、穩(wěn)、長周期運行提供有力的保證。

[1]劉美俊.變頻器常見故障分析與預防措施[J].組合機床與自動化加工技術，2002(11):61－63.

[2]龐茶寶，吳張永，李健鋒，等.變頻器使用常見故障原因及測試[J].機械，2007(5):59－61.

[3]方大千.變頻器、軟起動器及PLC實用技術問答[M].北京:人民郵電出版社，2007.

[4]仲明振.低壓變頻器應用手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社，2009.

[5]孟曉芳.變頻器應用與維修[M].北京:機械工業(yè)出版社，2011.