防爆变频器水冷散热系统研究.pdf

第 4 2卷 第 1 期 2 0 1 6年 1月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i ne Au t omat i o n Vo 1 ． 4 2 No ． 1 J a n ．2 0 1 6 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 1 0 0 5 5 0 3 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 l x ． 2 0 1 6 ． 0 1 ． 0 1 6 于哲． 防爆变频器水冷散热系统研究E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 1 5 5 5 7 ． 防爆变频器水冷散热系统研究 于哲 1 ． 中煤 科工 集 团常州 研 究院有 限公 司 ， 江 苏 常州 2 1 3 0 1 5 ； 2 ． 天地 常州 自动化股份有限公司，江苏 常州 2 1 3 0 1 5 摘要 根 据 井下 大功 率防爆 变频 器的特 点 ， 设 计 了防爆 变频 器水冷散 热 系统 。该 系统采 用 防爆 壳体 内部 散 热风机 冷 却 外部 循环 水 系统 冷却 的散 热方 式 ， 可将 水箱 中水 温控 制在 某一 范 围 内， 保证 变频 器 的进 水 温 度 ， 从 而降低 变频 器腔 内的发 热量 。测 试 结果验 证 了该 系统 的有 效性 。 关键 词 防爆 变频 器 ；水冷散 热 ；风 冷散 热 中图分类号 T D6 1 1 ． 3 文献标志码 B 网络 出版时间 2 0 1 5 1 2 3 1 1 5 5 9 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 5 1 2 3 1 ． 1 5 5 9 ． 0 1 6 ． h t ml Re s e a r c h o f wa t e r c o o l i n g s y s t e m o f e x p l o s i o n - p r o o f i nv e r t e r YU Zhe ， 。 1． CCTEG Ch a ng z hou Re s e a r c h I ns t i t ut e ，Ch a ng z hou 2 1 3 01 5，Chi na； 2． Ti a n d i Ch a n g z h o u Au t o ma t i o n Co ． ，Lt d ． ，Ch a n g z h o u 2 1 3 0 1 5 ，Ch i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o c h a r a c t e r i s t i c s o f u nd e r gr o un d hi g h p o we r e x pl o s i o n p r o of i n ve r t e r ， a wa t e r c o o l i ng s y s t e m o f e x pl o s i on pr o o f i nv e r t e r wa s de s i g ne d． The s y s t e m u s e s c o o l i n g mo de o f i nt e r na l f a n c o o l i n g e x t e r n a l c i r c u l a t i n g wa t e r c o o l i n g，c a n c o n t r o l wa t e r t e mp e r a t u r e i n t h e t a n k wi t h i n a c e r t a i n r a n ge ，a nd e ns u r e wa t e r t e mp e r a t ur e of t he i n ve r t e r ， S O a s t o r e d uc e c a l or i f i c v a l u e i n t he i nv e r t e r．Th e t e s t r e s u l t s d e mon s t r a t e t h e e f f e c t i v e ne s s o f t he s y s t e m ． Ke y wo r ds e xp l o s i o n pr o o f i nv e r t e r ；wa t e r c o o l i ng；a i r c o o l i ng 0 引言 1 井下 防爆 变频器 散热 方式选 择 近年 来 ， 随着 自动化技 术 的发 展 ， 煤 矿井 下用 带 式 输 送 机 、 刮 板 输 送 机 的 功 率 等 级 越 来 越 高 ， 1 0 0 0 k W 以上 的防爆 变频器 也 得到 了广 泛 的应 用 。 但是 ， 随着变频器功率等级的提高， 元器件发热问题 逐 渐 凸显 。笔 者通 过 调 研 发 现 ， 现 阶 段 大 功率 防爆 变 频器 主要 通过 普通 水 箱储水 的方式 散热 。这 种方 式在井下温度较高时 ， 进水温度可能高于变频器设 定的保护值 ， 容易引起器件的老化 。本文通过对普 通 水箱 的改 进 ， 将水 箱 中 的水 温控 制在 某 一范 围 内 ， 保 证变 频器 的 进水 温 度 ， 从 而 降 低 变 频 器 腔 内 的 发 热 量 。 目前 ， 防爆 变 频器 的散 热方 式 主 要 有风 冷 与水 冷 ， 可根据变频器功率大小及煤矿井下的实际情况 ， 选择 相应 的散 热方 式 。 1 ． 1 风 冷散 热 对 于功 率 较 小 的 防爆 变频 器 ， 主要 采用 强 迫 风 冷 的方式 散热 ， 其 缺点 是需要 井下 通风 条件 良好 ， 并 且 防爆变 频器 散热 风 机 容 易 吹 入煤 尘 ， 可靠 性 相 对 较低 。影响强制风冷效果 的一个重要参数是风速， 风速 越 大 ， 散 热器 热 阻 越 小 ， 但 流 动 阻力 越 大 ， 所 以 适当提高风速有利于降低热阻 ， 但风速超过一定值 后再提高无多大意义 。 收稿 日期 2 0 1 5 1 0 0 9 ； 修回 日期 2 0 1 5 1 1 - 3 0 ； 责任编辑 胡娴 。 作者 简介 于哲 1 9 8 7 一 ， 男， 江苏盐 城人 ， 助理工程师 ， 现 主要从事矿用 防爆变频器生产及技术研究工作 ， E ma i l y zx d c k1 6 3 ． c o m。 5 6 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 1 ． 2水 冷 散 热 对于功率较大的防爆 变频器 ， 主要采用水冷 的 散热方式， 水 冷散热效果高 ， 可 提高功率器件的稳 定 性_ l _ 。 1 ． 3 强制风 冷 强制 水冷 方式 大功率 防爆 变频器 壳体 内部散 热可 选择轴 流风 机强制散热水循环冷却。防爆变频器的外部散热 系统应根据井下具体环境确定， 在井 下水量及温度 均不能满足相应要求 的前提下， 可选择水箱加制冷 系统供水 。水箱主要用于供给变频器循环水， 而制 冷系统主要用于降低水箱温度。当水箱 内温度高于 某一设定值上限时， 制冷系统工作 ， 通过制冷来降低 水箱内温度 ； 当水箱内温度低于某一设定值下限时， 制冷 系统停 止工 作_ 2 ] 。 2 水 箱 容量与 制冷量 的计 算 根据 实际测 量 ， 某 品牌 1 0 0 0 k W／ 3 3 0 0 V 防爆 变频 器 的散热 量为 4 0 5 0 k W ， 按 中间值 4 5 k w 计 算 ， 则变频器每小时散热量 Q 一4 5 k W3 6 0 0 S 一 1 6 2 0 0 0 k J 。设计 制冷 机每小 时开停 次 数为 3 ～ 4次 ， 水箱 内的水 温从 下限值 1 5℃升高 到上限值 2 5℃的蓄冷 量维 持时 间约为 2 0 rai n ， 则水 箱 的需冷 量 Q 一Q 。 ／ 3 5 4 0 0 0 k J 。根 据热 量 计 算公 式 可 得 Q 一4 ． 2 k J ／ k g℃9 2 1 0℃ 5 4 0 0 0 k J， 可 得水箱 内可容纳的水的质量 m一1 2 8 6 k g ， 水箱容 量 i ． 2 8 6 m。 ≈ 1 ． 3 m。 。 为 防止 变频器 停止 使用 时变频 器及 管路 中 的水 流回水箱 内， 设计 水箱 的水容 量为水 箱 内容积 的 6 O 9 ／ 6 ， 则水 箱 的内容积 约为 2 ． 2 m。 。 根据煤 矿井下 相关 要求 ， 机 组尺 寸不 能大 于 3 5 0 0 mm1 5 0 0 mm1 8 0 0 mm， 根 据 所 选 择 的 某品牌防爆变频器 的制冷设备体积， 可竖向设计外 尺寸 为 1 2 0 0 mm1 3 5 0 mmI 5 0 0 mm， 保 温厚 度 为 3 0 mm， 内尺 寸 为 1 1 7 0 mm 1 3 2 0 mm 1 4 7 0 mm， 即总 内容积 为 2 ． 2 7 m。 。 箱体 总 面积为 A l 。 一1 ． 2 I ． 3 5 2 1 ． 2 I ． 5 2 1 ． 3 5 1 ． 5 2一 1 0． 8 9 1 传 热 系数 KI ． I 3 w／ r n 。 ℃ ， 箱 体 两侧 的 温差 t 一2 5 1 5 一1 0℃， 则箱体隔热层漏热量为 Q2 l k w KAt一 1 ． 1 3 1 0 ． 8 91 0≈ 0 ． 1 2 3 2 设水 箱壁跑 冷量 为 Q ， R 为制 冷装 置 和管 道 冷 损失补偿系数 ， 直接冷却系统取 1 ． 0 7 ， 间接冷却 系 统 取 1 ．1 2 ， 本 系 统 采 用 间 接 冷 却 系 统 ， 则 R 取 1 ． 1 2 ， 总需冷 量为 Q I k w一 Q Q R一 5 0 ． 5 4 3 3水箱 的设 计 整 个 防爆 变 频器 水 冷 散热 系 统分 为 2个 部分 一 是氟利昂系统 ， 为水箱中的水降温 ； 二是水 系统 ， 保 证水 的循 环 。 3 ． 1 降温原理 防爆变频器水冷散热系统 主要 由压缩机、 冷凝 器 、 膨 胀 阀 、 蒸发 器 板 式换 热 器 组 成 ， 用 管 道 将 它 们连 接 成一 个 密封 的系统 。系 统 中水 温要 求 为 1 5 ～2 5℃， 本方案将水降低到 1 5℃计算 ， 则氟利 昂 的蒸 发温度 设定 在 1 0℃ ， 使 氟利 昂与水 有 5℃左 右 的换 热温 差 ， 确 保 水 温 可 以 降 低 到 1 5℃ 。降 温 原 理_ 3 ] 在蒸发器 内处于低温低压的制冷剂液体 与水 发 生热交换 ， 吸收水 的热量 并汽 化 ； 产 生 的低 压 蒸气 被 压缩机 吸人 ， 经压 缩后从 高压 侧排 出 ； 压 缩机 排 出 的高压气 态制 冷剂经 过油 分离 器将冷 冻油 从制 冷剂 中分离出来后进人风冷冷凝器 ， 被常温的空气冷却 ， 凝结成高压液体 ， 高压液体存人储液器 ， 根据需冷量 的大小供液 。高压液体流经膨胀 阀时节流， 变成低 压 低温 的气 、 液两 相 混 合物 ， 进 入 板 式 换 热蒸 发 器 ， 其中的液态制冷剂在蒸发器中蒸发制冷 ， 产生的低 压气体再 次被压缩 机 吸入。如 此周 而复始 ， 不 断 循 环 。 3 ． 2水 循 环 原 理 降温后的水存入水箱 内， 经过水泵泵人变频器 的冷 却盘 管 中 ； 水与变 频器 换热 后 ， 将 变频 器 的热量 带走 ， 吸收变频器热量 的水 ， 直接进入水箱与水箱 中 的冷 水混 合 ； 水箱 中 的水 温 升高 到 2 5℃ 时 ， 制 冷 机 启动为水箱中的水降温 ， 降温后 的水进入水箱 ， 如此 循环 ， 为 变频 器降温 。 水循 环原 理如 图 1 所 示 。 4散 热效果 验证 在 环境 温度 为 3 0℃左右 时进 行系统 测试 ， 控 制 系统 出水 温 度 在 2 7 ～ 2 9℃ 之 间 ， 对 变频 器 加 载 至 1 Mw ， 连续 运行 1 5 h ， 得 出温 度 曲线 ， 如 图 2所示 。 由图 2可见， 虽然设定系统 出水温度为 2 7 ～2 9℃， 而变频器检测出的进水温度略高于该温度 ， 但不影 响整 体运行 。通 过 水冷 散 热 系 统 ， 控 制 变频 器 腔 体 温度不高于 5 o℃[ 4 ] ， 有效降低了变频器各器件的发 热量 ， 提高 了各器 件 的可靠 运行 能力 。 第 4 2卷 第 1 期 2 0 1 6年 1 月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i ne Aut o ma t i o n Vo l _ 4 2 No ． 1 J a n ．2 01 6 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 O 1 6 O 1 0 0 5 7 0 3 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 6 ． 0 1 ． 0 1 7 孙健 ， 相恒 进 ， 朱 军． 斜 巷人 车 液压抱 轨 制动 系统 设计 [ J ] ． 工矿 自动 化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 1 5 7 5 9 ． 斜巷入车液压抱轨制动系统设计 孙健 ， 相恒进 ， 朱 军 徐 州工 程学 院 机 电工 程学 院 ，江苏 徐 州 2 2 1 1 1 1 摘 要 针 对现 有斜巷 人 车的 运输 安全 问题 ， 设 计 了一种 新型斜 巷人 车液压抱 轨 制动 系统 。该 系统采 用 高 精 度 阀进行 速 度检 测 、 放 大并选择 ， 进 而驱动 制动 器 实现制 动 ； 通过 自动 测速装 置 同步缸 自主抱 轨 制动 ， 制动 精度高， 能够有效提 高斜巷运输制动的可靠性 ， 降低事故率。 关键 词 斜巷人 车 ；液压抱 轨 制动 ； 超 速保 护 ；紧急制 动 中 图分类 号 TD5 5 文献标 志 码 B 网络 出版 时 间 2 0 1 5 1 2 3 1 1 6 0 0 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 5 1 2 3 1 ． 1 6 0 0 ． 0 1 7 ． h t ml De s i gn o f h y dr a ul i c r a i l h o l d i ng b r a k i ng s y s t e m f o r i nc l i ne d r o a d wa y ma n c a r S UN J i a n， XI ANG He n g j i n， ZHU J u n M e c h a n i c a l a n d El e c t r o n i c De p a r t me n t ，Xu z h o u I n s t i t u t e o f Te c h n o l o g y ， Xu z h o u 2 2 1 1 1 1 ，Ch i n a Ab s t r a c t Fo r t r a ns p or t a t i o n s a f e t y pr o bl e m of e xi s t i n g i n c l i ne d r o a d wa y ma n c a r ， a ne w t y p e o f hy dr a u l i c r a i l h ol d i ng br a k i ng s y s t e m wa s d e s i gn e d． The s y s t e m us e s hi g h pr e c i s i on v a l v e f or s p e e d 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 9 2 9 ； 修 回日期 2 0 1 5 - 1 1 - 1 8 ； 责任编辑 胡娴 。 基金项 目 江苏省重点大学生创新训练计划项 目 2 0 1 5 1 1 9 9 8 0 0 2 Z 。 作者简介 孙健 1 9 7 5 一 ， 男 ， 江苏徐州人 ， 高级工程师 ， 主要研 究方向为机械设 计及理论 ， E ma i l s u n b i n 2 7 5 1 6 3 ． c o rn。 ⋯⋯⋯⋯⋯ 量 ⋯ ⋯ ⋯ ． 压力控制器 5 结语 图 1 水循环原理 分 析 了 目前 主 要 的井 下 防爆 变频 器 散 热 方式 ， 通过 计算 水箱 容量 与制 冷 量 ， 制 作 了样机 ， 在 地面试 验过 程 中 ， 散 热 系统效 果 良好 。 5 O 4 5 4 O 3 5 3 0 2 5 赠 2 0 1 5 1 0 5 O 参 考 文 献 1- 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 N 0一 n寸_ n 卜。。 0一 n 0 0⋯⋯⋯ N 0 时间 时一 分 图 2温度 曲线 傅林 ， 黄文涛． 矿 用隔爆 型变频 器散 热方式 的选择l- J ] ． 变频器 世界 ， 2 0 0 9 7 7 9 8 1 ． 苗盈瀛 ． 大功率 隔爆 型变频器散热 系统开发 [ J ] ．煤矿 机 械 ， 2 0 1 3， 3 4 6 5 9 - 6 1 ． 金 文 ， 逯红杰． 制 冷技术 F M] ． 北 京 机械工 业 出版社 ， 20 09 ． 高峥． 浅谈 防爆变频器 的散热 [ J ] ． 电气 防爆 ， 2 0 0 7 4 7 9．