中高压变频器冷却方案比较和选型分析

王永鑫

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海200092）

中高压变频器冷却方案比较和选型分析

王永鑫

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海200092）

摘要：随着电力电子器件的发展，性能优异的中高压变频器在各行各业中得到越来越广泛的应用，能否处理好变频器的散热问题是其长期稳定运行的关键。分析了中高压变频器热量产生来源，并从技术可行性、可靠性、经济性等角度对不同冷却方案的特点进行比较，并结合实际的工程案例，给出合理的变频器冷却方案选型建议，可作为工程电气设计时中高压变频器冷却方案选型参考。

关键词：中高压变频器；冷却方案；比较分析；选型建议

1　引言

随着中高压变频器使用率的增加，变频器如何长期稳定运行也成为客户非常重视的问题，而变频器的散热问题对整个变频器系统的长期稳定运行起着非常关键的作用。因为高压变频调速系统虽然是一种非常高效的调速装置，但是在运行中，仍然有2%－4%左右的损耗，该损耗都变成热量，最终耗散在大气中。这些热量必须从装置中排除才能保证其温升不至于过高而影响正常运行。因此，中高压变频器的通风系统需针对不同的现场应用环境进行配套设计。如何把这些热量顺利地从变频器中带出来，是变频器设计中一个非常重要的问题［1］。

2　变频器热量来源

中高压变频器发热一般由以下三部分组成［2］。

一是变压器和电抗器，变压器和电抗器由于主回路的大电流必然产生铜耗和铁耗，而该部分损耗80－90%通过发热释放。这部分发热量大约为电动机功率的0．5－1．5%，采用电抗器发热量大约为0．5%，采用变压器发热量大约为1．5%。

二是变频器的功率器件损耗，IGBT、SGCT、IGCT等功率器件由于高频开关切换和导通压降等产生开关损耗和低通损耗。这些损耗大约为电动机功率的2%。

三是变频器控制部分损耗，包括控制电源、控制板件，驱动功率器件的驱动电源及其他冷却风扇或者冷却水泵。这部分产生的热量相比较前两项可以忽略不计。

图1　风道循环散热示意图

3　冷却方案比较

中高压变频器冷却系统方案选择的好坏直接影响后期变频器运行质量，因此选择合适的冷却方式成为前期设计工作的一个重点。目前主流的中高压变频器内部冷却方式主要为风冷和水冷。风冷是通过风机的冷风流过散热片的方法将功率开关元件上热量带走进行冷却。风冷没有其他的附加设备，只有风机。按照对热风处理上的不同，风冷又可分为强迫风冷、空调密闭冷却和空－水冷却三种方式。下面对几种冷却方式进行分析比较［3］、［4］。

3．1强迫风冷

强迫风冷冷却方式结构简单，施工方便，便于维修，缺点是噪声大，冷却效率低，维护量大，必须在控制室中配置足够大的通风设备来将热风排至控制室之外。强迫风冷适用于设备功率较小的场合，而且其运行稳定性依赖于当地环境，对空气洁净程度要求高。

强迫风冷冷却方式根据变频器有无独立的散热风道可细分为风道循环散热、空气循环散热两种。

3．1．1风道循环散热

变频器出风口安装风道，将出口热空气引到变频器室外。此方式的优点是设备投资少，只需要安装变频器出风口风道及进风口过滤网，维护简单。缺点是使用环境受限，进风口过滤网需要经常维护。如图1所示为风道循环散热示意图。

3．1．2空气循环散热

变频器冷却系统不做任何改动，用排风机增大变频器室的空气流动速率，热空气迅速排出。此方式的优点是不改动变频器冷却系统，只需用风机控制室内温度。缺点与风道循环散热相同。空气循环散热所需流量只需保证室内温度低于40℃，所需的空气流量相比于风道循环散热要低，空气过滤更容易，但要避免热空气局部聚集。

3．2空调密闭冷却

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空调密闭冷却方式主要是为中高压变频器提供一个固定的具有隔热保温效果的房间，根据中高压变频器的发热量和房间面积大小计算出空调的制冷量，从而配备一定的空调，其示意图如图2所示。采用室内密闭冷却方式，施工简单，维护量低。由于变频器排出的热风并没有全部被空调用于热交换，且空调排出的冷风不是全部进入变频器实现降温，因此，该冷却系统热交换效率通常只有70%左右。在考虑冷却设备的热交换功率时，结合极限运行情况下的发热量和系统交换效率，空调的容量设计计算裕度为1．2－1．3倍才能够符合系统安全运行的要求。

3．3空－水冷却

空－水冷装置类似于空调，示意图如图3所示，在水管上镶嵌散热片，在水管内通入冷水，冷水的流量足够大，保证散热片较低的温度。变频器的热风经专用风道直接通过空冷装置进行热交换，由冷却水直接将变频器产生的热量带走，经过降温的冷风排回至控制室内。因此，其风路循环效率得到极大提高，风路循环效率接近99%。空－水冷却方式冷却效果与空调密闭冷却方式类似，不同的是前者通过吸收设备发热而达到控制中高压变频器室内环境的目的，而后者是通过冷却房间后才能冷却设备，对变频器而言，空－水冷却方式效果更直接。

空－水冷设备整体结构组件可安装在变频器室外，其运营成本较低，变频器维护量低，但对现场冷却水水质有特殊要求。考虑到极限运行情况下的发热量，以及水温偏高、系统交换效率等因素，空－水冷却系统容量设计裕度通常选择为1．15－1．2倍。空－水冷却系统的运营成本是同等热交换功率空调冷却方式的1／4－1／5。冷却电耗指标远远低于空调冷却，避免了能源节约的二次浪费。相比较于空调密闭冷却方式，空－水冷却散热方式变频器除尘滤网的清洗周期可由原来的7－15天，延长到30－45天，大大降低了维护人员的工作强度。

3．4设备本体水冷

当变频器功率更大或风冷无法满足散热要求时，需采用设备本体水冷方式，示意图如图4所示。变频器设备本体水冷系统对中高压变频器功率柜直接进行冷却，与中高压变频器功率柜一体化设计，能够保证功率柜始终处于25－35℃运行环境，大幅度延长滤网更换周期，减少现场维护量。通常情况下，设备本体水冷容量设计裕度选择1．2－1．3倍。其散热效果显著，变频器室基本无噪声，更为安静、清洁；但水冷系统比较复杂，设备投资很高，且水冷系统本身的可靠性会对整个变频器系统造成影响。

图2　空调密闭冷却示意图

图3　空－水冷却示意图

4　冷却方案选型分析

如何在风冷和水冷两者之间进行选择，各个厂家均有不同的看法，但比较统一的说法是看变频器的功率和采用的开关元件。功率不大的变频器采用风冷就能满足要求，在功率非常大时，需采用水冷方式。而这个功率大小的分界为多少，每个厂家的标准也不一样。这与变频器开关元件的选择及整体工艺的设计都是有关系的。

水冷方式需要在散热器中通水，利用水流带走热量，因为变频器中的散热器一般都有不同的电位，要做好冷却水回路和电气回路的绝缘，因此必须采用绝缘强度较好的水，一般采用去离子水，它比普通蒸馏水的离子含量还要低。因此要求冷却水系统内要增加一个水处理系统，加大了冷却系统的复杂程度。另外，在水路的循环系统中，一般还要加离子树脂交换器，将散热器上的金属离子不断地溶解到水中。

从散热的角度来说，水冷的效果是比较理想的。但是，水循环系统工艺要求高，安装复杂，从长远来看维护工作量大。因为水管及密封材料寿命有限，尤其是在高温环境中，会加速产品的老化程度，短期内可能没有任何问题，但随着时间的增加，长时间工作后产品可靠性降低。一旦漏水，会对设备带来非常大的危害甚至是致命性的破坏。有些厂家的中高压变频器功率不是很大的情况下仍然采用水冷方式，主要是因为这些厂家采用了高开关阻抗的开关器件，器件开关损耗高，风冷方式中的散热片无法满足散热要求，必须采用水冷方式。

强迫风冷、空调密闭冷却或空－水冷装置这三种风冷方式也各有利弊。强迫风冷成本低廉，但是室内密封性太差，容易使灰尘进入，影响散热，增加维护量；空调密闭冷却维护量最小，室内密封性好，但运营成本较高；空－水冷装置兼顾以上两点，密封性好，成本适中。如果用户现场有冷却水，且能保证循环水的温度低于33℃，一般推荐用户采用空－水冷装置。

综合比较，中高压变频器四种冷却方式对比如表1所示。

图4　某厂商设备本体水冷系统示意图

表1　中高压变频器四种冷却方式对比

5　实例分析

通常，决定客户选用何种冷却方式的主要因素是投资回报率的问题，以下针对某工程实例，仅从经济性角度进行比较。该工程水泵机组功率为3200kW，强迫风冷方式已不能满足散热要求，而空调密闭冷却、空－水冷却和设备本体水冷均能满足。为方便计算比较，此处按下列条件进行简化：变频器运行效率为96%；功率模块和变压器损耗均为2%；变频器室面积60m2；空调房间制冷量按180W／m2计；空调能耗比＝制冷量：网侧电耗＝2．5。三种冷却方式的经济性对比分析如表2所示，可以看出，设备本体水冷系统初期投资最大，年综合运行成本最小；而空调密闭冷却系统初期投资最小，但年综合运行成本远高于其他两者；空－水冷冷却系统介于两者之间，整体经济效益较好。

表2　三种冷却方式经济性对比分析

6　结束语

本文从技术可行性、安全可靠性、经济性的角度对中高压变频器的冷却问题进行了综合分析，并结合具体工程实例对比分析了三种冷却方式的经济性。空－水冷却、设备本体水冷方案需要在设计时充分考虑好附加设备故障、可维护维修等安全防护问题，在初始设备一次性投资上远高于强迫风冷和空调密闭冷却方案。而与空调密闭冷却方式相比，通常系统运行几年节约的电费可收回投资。在净水厂等现场冷却水环境较好的情况下，空－水冷、设备本体水冷系统可以和大功率电机共用外部冷却水循环装置，从而减少投资。然而，选择何种变频器冷却方式，除了从以上角度进行分析比较以外，还需要根据现场实际情况和客户特殊要求灵活选择不同的冷却方式或其组合，以达到最优的节能运营效果。

参考文献：

［1］张选正，顾红兵．中高压变频器应用技术［M］．北京：电子工业出版社，2007．

［2］贾炳琦，董斌，蔡引兄．高压变频器的通风与散热设计［J］．电气传动自动化，2013，35（5）：60－62．

［3］夏俊利．高压大功率变频器的两种冷却方式比较［J］．华北电力技术，2009，8：52－54．

［4］吕泽玉，刘军祥．凝结泵高压变频器几种冷却方式的可行性论证［J］．变频器世界，2008，9：65－67．

作者信息：

王永鑫（1983－），男，工程师，现就职于上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，主要从事市政电气工程设计和技术管理。

中图分类号：TM433

文献标识码：A

文章编号：1005—7277（2015）03—0047—05

收稿日期：2015－01－05

Comparison and selection of cooling scheme for medium－high voltage frequency converter

WANG Yong－xin

（Shanghai Municipal Engineering Design Institute（Group）Co．，Ltd．，Shanghai 200092，China）

Abstract：With the development of power electronic device，the medium－high voltage frequency converter with excellent performance is widely applied in many kinds of industries．To deal with the heat dissipation problems well or not is the key to its long－term stable operation．The sources of heat generated in the medium－high voltage frequency converter are analyzed，and the characteristics of different cooling schemes are compared from the aspects of technical feasibility，reliability and economy etc．Combined with the actual projects，the reasonable suggestions of medium－high voltage frequency converter cooling scheme selection is put forward．It can be used in the electrical engineering design when choosing from different cooling schemes of medium－high voltage frequency converter．

Key words：medium－high voltage frequency converter；cooling scheme；comparative analysis；selectionsuggestions