煤礦用水循環(huán)冷卻一體變頻器散熱設(shè)計(jì)

郭愛芹　陳培培

摘 要：本文主要進(jìn)行了如下幾個(gè)方面的研究：針對(duì)變頻器的最主要功率元器件的熱能損耗的原因進(jìn)行徹底的分析，通過計(jì)算的方法和仿真的方式得出變頻器的主要功率元器件的熱能損耗值。并且用數(shù)據(jù)分析的方法分析IGBT模塊傳熱過程，建立一個(gè)熱傳導(dǎo)的可操作的熱阻數(shù)學(xué)模型，以便分析出在應(yīng)用冷板散熱過程中需要重點(diǎn)考慮的相關(guān)問題，進(jìn)而達(dá)到設(shè)計(jì)出的水冷系統(tǒng)對(duì)IGBT和整流橋進(jìn)行散熱的目的。

關(guān)鍵詞：變頻器；散熱；設(shè)計(jì)；煤礦；熱損耗；冷板

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.23.039

0 引言

本文對(duì)冷板的散熱性進(jìn)行了重點(diǎn)分析，應(yīng)用了必要的熱分析軟件工具，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)能夠影響水冷板散熱器的相關(guān)性能的因素進(jìn)行了深入的研究，分析了幾種處在不同的條件下冷板散熱性能的優(yōu)劣，并且也注意到了水冷散熱的過程中會(huì)出現(xiàn)冷板結(jié)露的情況，并對(duì)其進(jìn)行了簡單的分析，總結(jié)出可以通過控制冷板的一定的溫度，對(duì)冷板結(jié)露進(jìn)行阻止。該設(shè)計(jì)還精確的計(jì)算出水冷系統(tǒng)的壓力損失，將此作為選擇合適的水泵的理論根據(jù)，為項(xiàng)目的散熱設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。

1 關(guān)于變頻器散熱方式的介紹

變頻器的散熱方式跟元器件的功率大小有關(guān)，早期大都是采用大功率的元器件進(jìn)行散熱，其主要操作方法是將大功率的元器件直接安裝在散熱器上，依靠自然的冷卻而達(dá)到降溫的目的，這種被稱為空氣自然對(duì)流冷卻法。這種方法的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但是散熱的效果比較差，而且非常容易受到周圍的一些環(huán)境因素變化的影響，通過自然冷卻散熱的最大面積受限，只能達(dá)到0.039W/平方厘米—0.078W/平方厘米[1]。

隨著電子元器件功率的繼續(xù)加大，還會(huì)采用強(qiáng)迫風(fēng)冷進(jìn)行散熱，強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱是一種非常好的散熱方式，它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、散熱效果較好。其原理是元器件之間有較大的空間，有利于空氣的流動(dòng)或者直接安裝散熱器，這樣就可以迫使空氣流過發(fā)熱的元器件或者是散熱器來散熱，通過不斷增大冷卻的風(fēng)量或散熱的面積來達(dá)到提升散熱的效果。

但是，隨著熱源熱流密度的不斷提高，具有更大能力和最好效果的水冷散熱裝置被更加廣泛的運(yùn)用，水冷散熱比以上兩種散熱的方法更具有優(yōu)勢：一是水強(qiáng)制對(duì)流的換熱系數(shù)比空氣對(duì)流換熱系數(shù)要高出很多倍，可以高達(dá)10倍[2]。這些對(duì)比可以參見表1。二是因?yàn)樗谋葻崛菔强盏?000多倍，所以，在進(jìn)行熱量交換的過程中水的溫度上升很慢，進(jìn)而維持冷板在比較低溫的情況下運(yùn)行，形成與熱源的比較大的反差，非常有利于進(jìn)行散熱。而要完成相同的散熱量，水冷于風(fēng)冷進(jìn)行比較，還具有所需要散熱的面積和流道截面小的優(yōu)點(diǎn)，因而可以更大的減少冷板的散熱器的體積，而水冷散熱比風(fēng)冷散熱還有噪音小、污染小的特點(diǎn)。

2 水冷系統(tǒng)的介紹

水冷散熱是通過水帶動(dòng)變頻器工作時(shí)而產(chǎn)生的熱量，與風(fēng)冷依賴于散熱器的設(shè)計(jì)和風(fēng)道的機(jī)箱設(shè)計(jì)有很大的區(qū)別，水冷系統(tǒng)是在一個(gè)相對(duì)密閉的環(huán)境下可以更高效的運(yùn)用水的比熱容，而且發(fā)揮水流動(dòng)大的特點(diǎn)，將系統(tǒng)元器件熱量迅速的帶走。從而達(dá)到更佳的散熱效果。水冷散熱法不僅可以弱化機(jī)箱風(fēng)道的作用，而且有兼顧了靜音和效能這兩個(gè)比較難融合的難題。與傳統(tǒng)的風(fēng)冷變頻器相比，水冷的變頻器的面積更小，但是冷卻的效率更高、機(jī)器工作的噪音更低。目前，在國外關(guān)于水冷變頻器已經(jīng)有了非常成熟的產(chǎn)品，如日本生產(chǎn)的大容量水冷式高壓變頻器，還有芬蘭的VACONXP系列水冷變頻器。

3 國內(nèi)外冷板現(xiàn)狀對(duì)照

冷板屬于一種單流體熱交換器，常安裝于電子設(shè)備的底座，主要的功能是通過空氣、水或者其他的冷卻媒體在通道中形成強(qiáng)大的對(duì)流，帶走電子設(shè)備和電子元器件的熱量。相對(duì)風(fēng)冷散熱器而言，冷板具有體積小、重量輕，散熱力強(qiáng)的特點(diǎn)。而針對(duì)水冷冷板的設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在優(yōu)化冷板尺寸，改變內(nèi)部流道，從而提高整體的散熱能力。對(duì)此，國內(nèi)外學(xué)者都有很深入的研究。

4 降低變頻器的損耗

變頻器是煤礦作業(yè)中非常重要的電器，關(guān)鍵是解決散熱問題。煤礦一直采用傳統(tǒng)的變頻器風(fēng)冷散熱方式，這種方式散熱器體積大、效率低。因此為了改善傳統(tǒng)變頻器的這些弱點(diǎn)，通過對(duì)運(yùn)用變頻器的環(huán)境和結(jié)構(gòu)要求的分析，把660V/75KW功率的變頻器作為研究主體，對(duì)變頻器水冷散熱進(jìn)行新的設(shè)計(jì)。隨著電氣化的發(fā)展，變頻器在各個(gè)行業(yè)被廣泛的應(yīng)用，對(duì)于煤炭開采，變頻器更是非常重要的工具，而變頻器在使用過程中最常見的問題就是發(fā)熱，而一旦發(fā)熱將會(huì)加大機(jī)器的損耗，嚴(yán)重影響機(jī)器工作的效率，甚至還容易發(fā)生意外，因此，有效的解決變頻器散熱的問題成為一個(gè)當(dāng)務(wù)之急。

5 關(guān)于冷板結(jié)露的解決方法

使用水冷散熱是存在著冷板結(jié)露的現(xiàn)象的，而如果不能夠解決冷板結(jié)露的問題，那勢必會(huì)造成短路，甚至導(dǎo)致變頻器無法正常運(yùn)行。因此，將變頻器設(shè)計(jì)成防爆外殼，將冷板安裝在防爆外殼腔體內(nèi)，變頻器運(yùn)行以后，腔體內(nèi)的溫度就會(huì)自然升高，如果腔體內(nèi)的平均溫度是40度，而變頻器的外界環(huán)境的濕度是80%，那只要冷板的溫度不低于37度，就不會(huì)出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。

6 結(jié)論

本文通過對(duì)風(fēng)冷變頻器和水冷變頻器的各種性能的比較，通過對(duì)目前國內(nèi)外對(duì)水冷變頻器現(xiàn)狀的研究，找到了更好的解決冷板結(jié)露的問題，從而可以設(shè)計(jì)出具有更先進(jìn)水平和更好性能的水冷變頻器，而且，通過數(shù)據(jù)模型證明這種水循環(huán)冷卻一體變頻器具有更好的散熱性能，本文最后通過試驗(yàn)和仿真結(jié)果的相互對(duì)比，驗(yàn)證了該項(xiàng)目中對(duì)冷板和整機(jī)散熱的數(shù)值模擬的結(jié)果是非?？煽康?，按照該理論設(shè)計(jì)的水冷散熱系統(tǒng)完全可以滿足變頻器功率元器件的散熱，達(dá)到預(yù)期的效果，也達(dá)到了項(xiàng)目最終的要求?？梢愿訌V泛的應(yīng)用在煤礦的開采中。

參考文獻(xiàn)：

[1]向曉玲，商勝，賀繼軍.水冷變頻系統(tǒng)在MMD破碎站上的應(yīng)用[J]. 露天采礦技術(shù)，2015（06）：61-63.

[2]陳慶賀.梭車閉式水冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械，2014（12）：169-170.endprint