矿用变频器水冷循环系统失效分析及改造

刘栓柱

1 问题

由于高压大功率变频器本体在运行过程中有一定的热量散失，这些热量会使变频器电子器件发热，甚至超过许用温度值，为保障变频器具有良好的运行环境，需要为变频器配置一套独立的冷却系统。如煤矿井下主运输胶带输送机配置的变频器型号为ZJT1-630∕1140,负责主运输胶带输送机电动机软启动和调速运转，是重要电气设备。变频器功率模块的冷却采用自循环水冷方式进行降温冷却,以水作为冷却介质,保证变频器连续运转。具体方式为:变频器热交换器—散热器—增压泵，冷却水在循环泵的驱动下，沿管路以恒定的流速通过功率单元热交换器，连续不断带出热量；冷却水升温，沿管路进入散热器将热量排出；降温后的冷却水又回流至增压泵，形成一个封闭式循环冷却系统，见图1。

图1 变频器水冷循环系统原理示意

在主运输胶带输送机运行过程中,发现变频器经常发生死机现象,经诊断为增压泵失效后导致变频器过热,保护电路执行保护,变频器自动停机。统计此类故障占变频器故障的90%。运行一年共更换增压泵24台,水泵电机4台,波纹管30条。

高压变频器在运行过程中要产生一定的功耗，一般为其容量的3%～5%，这些功耗都变成热量，成为影响高压变频器可靠性的重要因素之一。大功率变频器工作时所产生的热量，将导致器件温度升高，如果没有适宜的散热措施及时将热量带走，就可能导致器件温度超过器件所允许的最高温度，从而导致器件性能的恶化甚至损坏[1～3]。如何把这些热量顺利的从变频器中交换出来，是变频器设计中一个非常重要的环节。

2 途径

通过提高水泵耐磨性、输水管路的可靠性、冷却介质的稳定性三方面进行改造。

（1）对增压泵进行更换。经过大量报废增压泵拆检发现，泵体有集中区域的点蚀现象，点蚀现象会造成增压泵的性能下降，严重的还会使增压泵失去增压功能。为什么会出现点蚀呢？这是因为原增压泵采用铝制泵体,铝制泵体在高温水工况下易发生化学反应,泵体内表面易产生点蚀，在高压区泄漏，使泵的性能下降；铝制泵体耐磨性低,液体中的杂质进一步加大了泵体的磨损，导致增压泵失效或损坏。依据变频器散热量、增压泵、管路、水箱等相关参数（见表1），选配了市场通用的并且与原泵流量和压力相近的BX150铜制泵体增压泵进行更换改造。其选配技术原理是，减少高温水对泵体的化学反应，提高增压泵泵体材料的耐腐蚀性和耐磨性能。

（2）对原6分输水波纹管进行更换为6分铝塑管。因铝塑管管壁光滑,输水时减少了液体阻力,而且连接可靠,管路不易损坏,并在增压泵两侧增设球形阀,见图1中4，2个DN20截止阀，避免了更换增压泵时冷却液的不必要浪费。

（3）对冷却介质进行更换,将原先使用纯净水更换为汽车冷却防冻液。

标准水沸点为100℃，水加热后易产生水垢,在使用中水垢会加速磨损水泵密封件,而且在过热情况下会产生气化现象,丧失冷却性能。

汽车冷却防冻液由水、防冻剂、添加剂三部分组成,按防冻剂成分不同可分为酒精型、甘油型、乙二醇型等类型的冷却液。

常用的乙二醇型冷却液是用乙二醇作防冻剂,并添加少量抗泡沫、防腐蚀等综合添加剂配制而成。由于乙二醇易溶于水,可以任意配成各种冰点的冷却液,其最低冰点可达-68℃,沸点110℃,这种冷却液具有沸点高、泡沫倾向低、粘温性能好、防腐和防垢等特点,是一种较为理想的冷却液。

选用当地通用乙二醇型防冻液加入冷却系统中，冷却液与水的比例为40:60时，冷却液沸点为106℃，冰点为-26℃，适用于液冷式发动机冷却系统，防冻液具有冬天防冻，夏天防沸，全年防水垢，防腐蚀等优良性能。将此冷却液加入变频器冷却系统中，对冷却系统所有部件，冷却水箱、输水管路、增压泵以及流量计运行系统中，即可提高冷却性能，又可提高可靠性和延长寿命。

以上选择配置时充分考虑到投资成本和使用效果的关系，以合理保障生产为主的原则，又方便实施。

表1 变频器水冷循环系统主要参数

3 效果

原4台变频器共配置8台铝制增压泵,平均每月损坏需更换2台增压泵,每月由于水质变差、水色发红、水垢增多,每月更换冷却水1次,观察水表、输水波纹管每年更换一次。

经过4台变频器改造后运行一年,共更换过1台铜制增压泵,其余元件状态良好,寿命延长8倍。冷却液无异常，根据经验,冷却液可以使用2年。由于无水垢输水管路及水表均没有出现故障，没有再进行更换，节省了人力、物力。由此计算每年至少可节约增压泵16台,水泵电机2台,波纹管20根,节约材料12000元。主运胶带输送机开机率明显提升,故障停机时间大量减少,有效保障了矿井安全生产。经济效益和社会效益更大。变频器冷却系统改造效果对比及分析见表2。

表2 变频器冷却系统改造效果对比及分析

4 结语

变频器过热停机，究其原因是冷却水循环系统出现了问题，改用不同材质的泵体、不同材质的管线、不同的循环介质形成的系统，经运行消除了原来的故障，本方法可在解决同类型问题中借鉴。