第３２卷第２期 ２０１８年２月 化工时刊 Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｔｉｍｅｓ ＶｏＩ．３２，Ｎｏ．２ Ｆｅｂ．２．２０１７ ｄｏｉ：１０．１６５９７／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎ．１００２—１５４ｘ．２０１８．０２．００８ 大功率变频器冷却系统的研究与创新设计 李仕锋 王雪峰 魏晓斌 王子寒 李世伟 喻 鹏 （齐齐哈尔大学机电工程学院，黑龙江齐齐哈尔） 摘要基于变频器长时间工作产生大量热量严重影响设备正常工作的问题，本文介绍一种具有除尘除湿等功能的 风道式冷却系统，能快速、高效的降低变频器内部的温度。此冷却系统能自动检测变频器内部温度变化并及时进行 调节，对维持变频器长周期稳定运行具有积极意义。 关键词变频器冷却系统除尘 自动控制 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ Ｃｏｏｌｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｌｉ Ｓｈｉｆｅｎｇ Ｗａｎｇ Ｘｕｅｆｅｎｇ Ｗｅｉ ｘｉａｏｂｉｎ Ｗａｎｇ ｚｉｈａｎ Ｌｉ ｓｈｉｗｅｉ Ｙｕ Ｐｅｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｑｉｑｉｈａｒ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｑｉｑｉｈａｒ １ ６ １ ００６） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｌｏｔ ｏｆ ｈｅａｔ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｔｏ ｗｏｒｋ ｌｏｎｇ ｈｏｕｒｓ ｓｅｒｉｏｕｓｌｙ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｎｏｒｍａｌ ｗｏｒｋ ｏｆ ｐｒｏｂｌｅｍ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ａ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｄｕｓｔ ｄｅｓｉｃｃａｎｔ ａｉｒ ｄｕｃｔ ｔｙｐｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ｃａｎ ｑｕｉｃｋｌｙ ａｎｄ ｅｆ－ ｉｃｉｅｎｔｆｌｙ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎｓｉｄｅ ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ．Ｔｈｉｓ ｃｏｏｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ｄｅｔｅｃｔ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｔｅｍｐｅｒａ· ｔｕｒｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ａｎｄ ａｄｊｕｓｔ ｉｔ ｔｉｍｅｌｙ，ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｔｏ ｍａｉｎｔａｉｎ ｔｈｅ ｓｔａｂｌｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｃｏｏｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｄｕｓｔｉｎｇ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ Ⅱ变 登 垫间题 约为７０℃。如果以５００ ＫＷ变频器为例，其转换效 率约９４％～９６％，经计算，其产生的热量约为７．２１０ ７ Ｊ，夏季变频器控制柜内的温度约为１００℃，变频器 １．１ 高温高热对变频器的影响 随着变频技术的提高，变频器应用范围越来越 广，变频器冷却问题也逐渐成为行业关注焦点。变频 器冷却设备是为变频器内部电子元件提供适宜工作 环境的装置，它是组成变频器关键设备之一。据调 研，通常变频器工作环境通常在一１０～６０℃，进口变 频器的报警温度约为８０℃，国产变频器的报警温度 为保护内部电路，会因为高温故障而停机。由此可见 变频器控制柜内的高温高热严重影响了其正常工作。 １．２常用变频器冷却设备现状分析 目前市面上的冷却装置主要为空调机和水冷装 置为主，而空调机冷却存在着运行成本高、散热不均 匀、不能适应恶劣工作环境的缺点，特别是在复杂环 收稿日期：２０１７—０９—２９ 基金项目：齐齐哈尔大学大学生创新创业训练计划项目（２０１７１０２３２１０８）。 作者简介：李仕锋（１９９５～），男，本科在读；通迅作者：王雪峰（１９７８～），男，副教授，研究方向：现代数字加工技术，Ｅ—ｍａｉｌ：８６４６４６４２＠ｑｑ．ｃｏｒｎ ２６— 竺堡量 大功率变频器冷却系统的研究与创新设计 境下，严重影响其工作寿命。水冷装置存在需要频繁 维护、冷却速度慢和占用变频器内部空间过多的问 题。以上两种冷却系统均给各运营公司带来了巨大 的经济损失。 １．３设计目的和研究内容 ２０１ ８．Ｖｏ１．３２，Ｎｏ．２ Ｉ囝目圃 机组达到满发风速时，风电机组不会因变频器温度高 导致风电机组限角度问题，能够有效降低功率柜和电 抗器温度，提升各电器元件的使用寿命。设计的变频 器降温装置具备手动、自动、远程控制切换功能。根 据环境温度变化，可以设置温度控制区间范同。 夏季高温天气变频器或风机机舱等设备内部的 电子设备工作发热，加之空气不能有效流通，机箱热 交换能力下降，导致机柜温度骤升。机舱温度过高会 导致设备限功率运行或者停机，同时对设备元器件的 使用寿命也产生不利影响，给各风电运营企业带来较 大的经济损失。针对上述问题，我们设计了一种高效 低成本，可适用于变频器，齿轮箱，风机机舱等设备的 冷却系统。 目设计原理与创新点说明 图１ 风力发电机变频器冷却工作示意图 Ｆｉｇ １ ｔｈｅ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｗｏｒｋ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ２．１ 变频器冷却系统设计原理说明 本设计主要由耐高温蜗壳风机，轴流风机，高效 除尘装置，智能耐高温控制系统，粉尘和湿度检测仪， 谐波过滤器，热交换器组成，采用全铝制外壳，具有重 量轻、耐腐蚀、散热效果好的优点。 当温度传感器检测到变频器内部温度到达警戒 温度时，冷却系统温控器启动蜗壳风机吹走热风，使 其进风处的柜体内形成强力负压，柜外冷风大量进入 高压变频气内，通过电气设备风道对单元散热器进行 冷却。同时，柜顶轴流风机大量排风，建立严密畅通 的风道，使其密闭风室内风压增强，加速冷风通过电 ２．３变频器冷却系统过滤出尘的设计 为了保证变频器内部电子元件的正常Ｔ作不受 到粉尘和杂物的干扰，考虑到风道冷却系统进风口可 能被树叶等杂物堵塞的情况，该装置内部有的高 效除尘部分使杨絮、风沙、灰尘等不能进入变频器控 制柜内，能有效防止杂物堵塞进风口，保持柜内清洁。 同时，将通风管改成特殊曲线型，进一步减少粉尘堆 积并减轻除尘网的吸尘压力。 气设备进入密闭风室。当变频器温度降到警戒温度 以下，温控器再关闭冷却系统，由此循环工作。 以某风电风机变频器为例，设计示意图如图１。 ２．２ 变频器冷却系统自动控制装置的设计 ２．４变频器冷却系统干燥除湿和谐波过滤的设计 本设计不仅能对高温环境下变频器起到冷却作 用，还可应用于多雨潮湿地区时，也可启动对变频器 该方案是将设计的变频器冷却自动控制装置在 每个变频器柜体外侧加装两套，使得变频器柜内的高 温空气和机舱外的低温空气自动实现温控气体交换， 三三 内部进行干燥，并装配了湿度测量仪随时反映内部湿 度变化。 日常用变频器冷却设备存在的缺息 （１）空调机冷却系统是通过交换机实现冷热空 从而实现变频器通风降温的冷却目的，有效解决风电 机组达到满发电风速时因变频器温度高而导致风电 机组限角度、停机等问题的发生。 本设计在变频器下方机舱底部开口安装的 ３．１ 与空调机相比具有的优势 气对流，进而实现散热目的。由于变频器排出的热风 不能被空调交换机全部吸人冷却，因此造成系统冷却 效率低和能源的二次浪费。空调冷却系统在运行中， 会在变频器控制柜内部形成“循环涡流区”，在一定 进风风道，变频器冷却自动控制装置从该风道将 机舱外的低温空气吸入到变频器柜内，实现风电机组 达到满发电风速时，将变频器柜内温度控制在５Ｏ℃ 以内，可以达到低于舱外环境温度３～５℃左右；风电 程度上与变频器构成“抢风”现象，这就导致散热不 均匀的问题。与此相比，本设计方案配备了蜗壳风 一２７一 ■蟹圃２０１８．Ｖｏ１．３２，Ｎｏ．２ 论文综述《Ｒｅｖｉｅｗｓ）｝ 使内部环境恶化，当杂质和颗粒物吸附于散热片上， 水冷系统散热受阻使冷却效果大打折扣。 （４）一般变频器内部空间紧凑，水冷系统占用变 机，可快速吸量冷空气并均匀地充满变频器控制 柜，再由轴流风机将内部热空气快速排出，消除了散 热不均匀的问题，冷却效率和冷却速度非常突出。 （２）空调机由于自身结构复杂，电器元件对工作 环境要求苛刻，对安装运输也极为不便，不能适应野 外等复杂工作环境，若强行安装运行，恶劣环境下会 严重影响其使用寿命。本设计与空调机相比具有兼 频器柜内部空间大，还需计算变频器功率大小来选择 冷却水温度和负载容量。存在着安装拆卸不方便，操 作步骤繁琐等缺点。而本设计占用空间小，结构简 单，便于安装和维护保养。 容性好，适应能力强，安装方便的优势。 （３）空调机是高耗电设备，运行成本和维护成本 非常高，对电能消耗大，维修和保养较为复杂。一般 空调机功率为５０００Ｗ，而本设计方案功率约２００～ 口结适 本设计从变频器散热问题出发，设计了一种高效 低成本，节能环保，智能控制的变频器冷却系统，可以 ５００ Ｗ，投资、运行成本低，经济效益十分明显。 有效解决变频器、风机机舱、齿轮箱等机械设备持续 工作产生的高温问题。同时，具有重量轻，适用性强， （４）由于一般空调机都会使用制冷剂来提高冷 却效果，存在对环境污染大的缺陷。而本设计方案采 用风道冷却，对环境无污染，符合国家节能、减排、增 效的基本国策。 ３．２与水冷系统相比具有的优势 可靠性高，安装维护方便的优势，能够显著降低由于 变频器等设备散热问题带来的经济损失，具有较大的 市场竞争潜力。 参考文献 （１）水冷系统是利用冷却水或冷却油吸收热量， 再通过散热片将热量排出，使变频器内部与外部发生 温度交换以此达到冷却目的。由于水冷系统需要专 ［１］ 方大干．变频器、软起动器及ＰＬＣ实用技术问答［Ｍ］． 北京：人民邮电出版社，２００７． 门的冷却水或冷却油，需要经常更换维护频繁且耗费 ［２］ 庞茶宝，吴张永，李健锋．等．变频器使用常见故障原因 及测试［Ｊ］．机械，２００７（５）． 资金。而本设计方案无需更换冷却水或冷却油，维护 时仅需替换通用的除尘网，具有维护周期长且耗费低 廉的优点。 ［３］ 孟晓芳．变频器应用与维修［Ｍ］北京：机械工业出版社， ２０１１． ［４］ 建业．大功率电力电子装置冷却系统的原理与应用 ［Ｊ］．电网技术，２００２，２６（４）． ［５］刘玉芬，程洪亮．变频器的热耗计算及散热分析［Ｊ］电 气制造，２００８（３）． （２）水冷系统在收到温度报警信号到启动过程十 分缓慢，并且散热速度慢。夏季高温环境下变频器可 能由于温度过热保护而跳闸，本设计方案采用的蜗壳 风机具有工作效率高，能快速增压进行散热等优点。 ［６］郑利军．ＰＷＭ方式开关电源中ＩＧＢＴ的损耗分析［Ｊ］． 电力电子技术，１９９９（５）． （３）变频器长时间工作中由于杂质和灰尘积累 、０； 、‘ 、０ 、０≯、０ 、 ·； ‘ｐｔ ‘ ｔ ｔ 皿固 成品油消费税征管新规在安徽落地 国家税务总局２０１８年１月２日出台《关于成品油消费税征收管理有关问题的公告》，要求所有成品油均须通过 管理新系统中成品油开具模块开具。这一监管新系统在不改变现行成品油消费税，不增加纳税人和基层税务机关 负担的前提下，首次将成品油的生产、批发和零售全流程纳入监管。 ２０１８年３月１日零时，通过管理新系统成品油开具模块，中石化安徽合肥分公司和中石化合肥振东加油站， 分别开出该省在成品油消费税征管新规下的第一张成品油专用、第一张卷式普通。 一２８—
