合康HIVERT系列水冷大功率高压变频器的应用

1 引言

随着高压变频器在各个行业的广泛应用，关于高压变频器在应用中带来的系统安全，设备稳定性的应用问题也越来越多的受到关注，除了解决好高压变频器的系统稳定性，还要解决好变频器本体的散热问题，这是保障变频器安全运行的重要部分。目前国内高压变频器还是以风冷为主要散热方式。随着变频器功率的增大，风冷已经满足不了变频器自身散热的要求，而解决大功率变频器散热的问题，无疑水冷是最好散热方式。目前只有少数厂商在大功率水冷型高压变频器有应用业绩，合康7400kW水冷变频器在河北省迁安市鑫达钢厂的成功应用，标志着合康在大功率水冷型高压变频器上取得了新的突破，提高公司在行业内的竞争实力。

2 水冷与风冷的散热方式对比

高压变频器安装对环境温度的要求为-5℃～45℃。大量研究表明，高压变频器的故障率随温度升高而上升，使用寿命随温度升高而下降，环境温度升高10℃，高压变频器使用寿命将减半。高压变频器内部使用了相当多的高精度的电子元器件，在影响电力电子装置可靠性的多种因素中，散热是至关重要的一项。大功率半导体器件工作时所产生的热量，将导致芯片温度的升高，如果没有适当的散热措施，就可能使芯片温度超过最高允许温度值，从而导致器件性能的恶化以致损坏。所以在电路设计中，选择适当的散热方式，并进行合理的设计，是使器件的潜力得到充分发挥，提高电路可靠性不可缺少的重要环节之一。

3 风冷的冷却方式

变频器室内的冷热风循环示意图如图1所示。

图1变频器室内的冷热风循环示意图

变频器从柜体的正面吸入空气，经过柜顶风机将变频器内部的热量带走排出到室内，从而在变频器上面形成一个温度偏高、压力偏高的气旋涡流区域，在变频器的正面部分形成一个偏负压区域，在运行中，变频器功率柜上部区域实际上是吸入刚排出的热风进行冷却，形成气流短路，风不能达到有效的冷却效果。风冷的冷却系统主要包括散热片和冷却风扇。其中冷却风扇寿命较短，寿命受限于轴承，临近使用寿命时，风扇产生震动，噪声增大最后停转，变频器出现单元过热跳闸。

4 风冷+空调的冷却方式

使用空调可以将室内温度降到理想的环境温度，空调通常采用的是下进上出风结构，这样与变频器侧进上出风在一定程度上形成了“抢风”的现象，变频器吸入的空气不完全是空调降温后的冷空气，空调的降温处理没有把变频器排出的热空气全部降温，导致了整个冷却系统的运行效率低下，能耗水平高。

变频器自身就是节能设备，采用空调冷却造成能源的二次浪费，这种情况在超大功率的高压变频器应用系统中更加明显。

超大功率高压变频器采用空调冷却系统投资和运行费用非常昂贵，空调设备的可靠性和运行安全系数也直接影响变频器的安全和稳定运行。

5 空－－水冷的冷却方式

空水冷的冷却方式示意图如图2所示

图2变频器空-水冷循环示意图

将变频器的热风通过风道直接经过空-冷装置进行热交换，由交换器内部的冷却水管道与热空气进行非介质接触式交换，直接将变频器散失的热量带走,避免变频器对室内环境形成加热作用。空冷装置的供冷水温度不大于33℃时，即可保证热风经过热交换器后，将变频器室内的环境温度控制在不高于40℃。

在空-水冷却系统中，对安装空间及环境温度有着较高的要求。需保证换热器所在环境温度小于要求达到的温度，否则，无法达到温度要求;空间要求，换热器需要有良好的通风，所以，在安装时周围至少留有≥500mm的通风空间。空冷装置出口侧易产生凝露并带水排入室内，对变频器运行环境产生了不利的影响;空-水冷却装置采用两套设计，增加了设备成本;同时对水的质量要求较高，在条件比较恶略的钢厂，如果直接采用钢厂烧结冷却水塔的水，需每隔半个月清洗一次水过滤器及空-水冷却装置。

6 水冷的冷却方式

变频器室内的水循环示意图如图3所示。

图3变频器室内的水循环示意图

水冷系统分为内循环水冷和外循环水冷，变频器内部功率单元采用水冷板散热，水通过管道进入水冷板，将IGBT等功率元件的发热传递给水后，由水带走，进入水-水热交换器，水-水热交换器通过和外循环水换热，热量由外循环水带走，冷水进入单元水冷板继续循环。为防止外部环境温度引起变频器内部有凝露现象产生，在水冷管道内加入加热装置。变频器外部水温低于25℃时，水冷系统会自动启动加热器，同时将散热外水通过旁路管道直接回流，当水温高于25℃时，自动关闭加热器，根据温度的大小，自动调节外水通过散热板的流量，让外循环水带走内循环水的热量。