于哲1,2
(1.中煤科工集团常州研究院有限公司， 江苏 常州 213015；
2.天地(常州)自动化股份有限公司， 江苏 常州 213015)
摘要：根据井下大功率防爆变频器的特点，设计了防爆变频器水冷散热系统。该系统采用防爆壳体内部散热风机冷却+外部循环水系统冷却的散热方式，可将水箱中水温控制在某一范围内，保证变频器的进水温度，从而降低变频器腔内的发热量。测试结果验证了该系统的有效性。
关键词：防爆变频器； 水冷散热； 风冷散热
YU Zhe1,2
(1.CCTEG Changzhou Research Institute, Changzhou 213015, China;
2.Tiandi (Changzhou) Automation Co., Ltd., Changzhou 213015, China)
Abstract：According to characteristics of underground high-power explosion-proof inverter, a water cooling system of explosion-proof inverter was designed. The system uses cooling mode of internal fan cooling + external circulating water cooling, can control water temperature in the tank within a certain range, and ensure water temperature of the inverter, so as to reduce calorific value in the inverter. The test results demonstrate the effectiveness of the system.
[WTHZ]Key words[WTBZ]:explosion-proof inverter; water cooling; air cooling
近年来，随着自动化技术的发展，煤矿井下用带式输送机、刮板输送机的功率等级越来越高，1 000 kW以上的防爆变频器也得到了广泛的应用。但是，随着变频器功率等级的提高，元器件发热问题逐渐凸显。笔者通过调研发现，现阶段大功率防爆变频器主要通过普通水箱储水的方式散热。这种方式在井下温度较高时，进水温度可能高于变频器设定的保护值，容易引起器件的老化。本文通过对普通水箱的改进，将水箱中的水温控制在某一范围内，保证变频器的进水温度，从而降低变频器腔内的发热量。
目前，防爆变频器的散热方式主要有风冷与水冷，可根据变频器功率大小及煤矿井下的实际情况，选择相应的散热方式。
1.1 风冷散热
对于功率较小的防爆变频器，主要采用强迫风冷的方式散热，其缺点是需要井下通风条件良好，并且防爆变频器散热风机容易吹入煤尘，可靠性相对较低。影响强制风冷效果的一个重要参数是风速，风速越大，散热器热阻越小，但流动阻力越大，所以适当提高风速有利于降低热阻，但风速超过一定值后再提高无多大意义。
1.2 水冷散热
对于功率较大的防爆变频器，主要采用水冷的散热方式，水冷散热效果高，可提高功率器件的稳定性[1]。
1.3 强制风冷+强制水冷方式
大功率防爆变频器壳体内部散热可选择轴流风机强制散热+水循环冷却。防爆变频器的外部散热系统应根据井下具体环境确定，在井下水量及温度均不能满足相应要求的前提下，可选择水箱加制冷系统供水。水箱主要用于供给变频器循环水，而制冷系统主要用于降低水箱温度。当水箱内温度高于某一设定值上限时，制冷系统工作，通过制冷来降低水箱内温度；当水箱内温度低于某一设定值下限时，制冷系统停止工作[2]。
根据实际测量，某品牌1 000 kW/3 300 V防爆变频器的散热量为40~50 kW，按中间值45 kW计算，则变频器每小时散热量Qs=45 kW×3 600 s=162 000 kJ。设计制冷机每小时开停次数为3～4次，水箱内的水温从下限值15 ℃升高到上限值25 ℃的蓄冷量维持时间约为20 min，则水箱的需冷量Qw=Qs/3=54 000 kJ。根据热量计算公式可得Qw=4.2 kJ/(kg·℃)×m×10 ℃=54 000 kJ，可得水箱内可容纳的水的质量m=1 286 kg，水箱容量V=1.286 m3≈1.3 m3。
为防止变频器停止使用时变频器及管路中的水流回水箱内，设计水箱的水容量为水箱内容积的60%，则水箱的内容积约为2.2 m3。
根据煤矿井下相关要求，机组尺寸不能大于3 500 mm×1 500 mm×1 800 mm，根据所选择的某品牌防爆变频器的制冷设备体积，可竖向设计外尺寸为1 200 mm×1 350 mm×1 500 mm，保温厚度为30 mm，内尺寸为1 170 mm×1 320 mm×1 470 mm，即总内容积为2.27 m3。
箱体总面积为
A︱m3=1.2×1.35×2+1.2×1.5×2+1.35×1.5×2=10.89
(1)
传热系数K=1.13 W/(m3·℃)，箱体两侧的温差t=25-15=10 ℃，则箱体隔热层漏热量为
Q2︱kW =KAt=1.13×10.89×10≈0.123
(2)
设水箱壁跑冷量为Q1，R为制冷装置和管道冷损失补偿系数，直接冷却系统取1.07，间接冷却系统取1.12，本系统采用间接冷却系统，则R取1.12，总需冷量为
(3)
整个防爆变频器水冷散热系统分为2个部分：一是氟利昂系统，为水箱中的水降温；二是水系统，保证水的循环。
3.1 降温原理
防爆变频器水冷散热系统主要由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器(板式换热器)组成，用管道将它们连接成一个密封的系统。系统中水温要求为15～25 ℃，本方案将水降低到15 ℃计算，则氟利昂的蒸发温度设定在10 ℃，使氟利昂与水有5 ℃左右的换热温差，确保水温可以降低到15 ℃。降温原理[3]：在蒸发器内处于低温低压的制冷剂液体与水发生热交换，吸收水的热量并汽化；产生的低压蒸气被压缩机吸入，经压缩后从高压侧排出；压缩机排出的高压气态制冷剂经过油分离器将冷冻油从制冷剂中分离出来后进入风冷冷凝器，被常温的空气冷却，凝结成高压液体，高压液体存入储液器，根据需冷量的大小供液。高压液体流经膨胀阀时节流，变成低压低温的气、液两相混合物，进入板式换热蒸发器，其中的液态制冷剂在蒸发器中蒸发制冷，产生的低压气体再次被压缩机吸入。如此周而复始，不断循环。
3.2 水循环原理
降温后的水存入水箱内，经过水泵泵入变频器的冷却盘管中；水与变频器换热后，将变频器的热量带走，吸收变频器热量的水，直接进入水箱与水箱中的冷水混合；水箱中的水温升高到25 ℃时，制冷机启动为水箱中的水降温，降温后的水进入水箱，如此循环，为变频器降温。
水循环原理如图1所示。
在环境温度为30 ℃左右时进行系统测试，控制系统出水温度在27~29 ℃之间，对变频器加载至1 MW，连续运行15 h，得出温度曲线，如图2所示。由图2可见，虽然设定系统出水温度为27~29 ℃，而变频器检测出的进水温度略高于该温度，但不影响整体运行。通过水冷散热系统，控制变频器腔体温度不高于50 ℃[4]，有效降低了变频器各器件的发热量，提高了各器件的可靠运行能力。
图1 水循环原理
分析了目前主要的井下防爆变频器散热方式，通过计算水箱容量与制冷量，制作了样机，在地面试验过程中，散热系统效果良好。
图2 温度曲线
参考文献：
[1] 傅林,黄文涛.矿用隔爆型变频器散热方式的选择[J]. 变频器世界,2009(7):79-81.
[2] 苗盈瀛.大功率隔爆型变频器散热系统开发[J]. 煤矿机械,2013,34(6):59-61.
[3] 金文,逯红杰.制冷技术[M].北京:机械工业出版社,2009.
[4] 高峥.浅谈防爆变频器的散热[J].电气防爆,2007(4):7-9.
于哲.防爆变频器水冷散热系统研究[J].工矿自动化，2016,42(1)：55-57.
基金项目：江苏省重点大学生创新训练计划项目(201511998002Z)。
作者简介：于哲(1987-)，男，江苏盐城人，助理工程师，现主要从事矿用防爆变频器生产及技术研究工作，E-mail:yzxdck@163.com。 孙健(1975-)，男，江苏徐州人，高级工程师，主要研究方向为机械设计及理论，E-mail：sunbin275@163.com。
收稿日期：2015-10-09；修回日期：2015-11-30；责任编辑：胡娴。 2015-09-29；修回日期：2015-11-18；责任编辑：胡娴。
中图分类号：TD611.3
文献标志码：B 网络出版时间：2015-12-31 15:59
文章编号：1671-251X(2016)01-0055-03 DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.01.016