一种大功率变频器冷却装置的制作方法

1.本发明属于大功率电气设备热处理技术领域，尤其涉及一种大功率变频器冷却装置。


背景技术：

2.目前随着电力电子技术的发展，中高压大功率变频调速技术日趋成熟，变频电机驱动压缩机组因技术含量高、设备运行评分可靠、效率高、维护简单、运行维护成本低等优点，在外电源可靠的情况下，已经大量应用于天然气长输管道增压领域，替代传统燃气轮机，成为长输管道增压驱动设备的首选。大功率变频器是电驱压气站的核心设备，变频器的功率元器件发热量很大，散热问题是制约元器件容量的一个很重要的瓶颈。以往的技术手段是采用风冷却式系统，利用风扇对设备内部进行强制散热，这导致变频器内部无法密封。当运行一段时间后，内部积尘严重，绝缘性能下降。遇到潮湿空气的时候，就会对电路板进行腐蚀，导致电路板上的元器件的短路，严重的话会引起火灾。
3.压气站用大功率变频器水冷系统成功解决应用在电驱压气站的大功率高压变频器散热问题，为高压变频器的大功率、超大功率研发奠定了设备散热解决方案。水冷却系统具有工作稳定、散热迅速、不易积尘等优点，能很好的保护功率元器件，延长变频器使用寿命。但现有技术中大功率变频器水冷系统存在结构臃肿管路复杂不利于设备维护更换，控制保护取点单一容易产生误报，水风换热与水水换热结构区分较大，设备通用性差的技术问题。


技术实现要素：

4.解决现有技术中存在的以上问题，本发明公开了一种大功率变频器冷却装置。
5.本发明所述的大功率变频器是指≥6mw的水冷变频器。大功率电机冷却装置主要负责对大功率水冷变频器(≥6mw)提供去离子冷却水，冷却系统主泵将低温去离子冷却水输送到变频器igbt或iegt等功率器件的水冷板中经过热交换导出变频器热量，再将高温水输送到空冷器或者板式换热器中，对去离子水进行降温。
6.一种大功率变频器冷却装置，包括被冷却设备20功率器件水冷板、泵组模块、冷却水循环管道即主循环回路、板式换热器23、副循环回路、外部冷却装置5；其特征在于：
7.板式换热器23设置有板换供水口25、板换回水口24、阀组供水口26和阀组回水口27；
8.冷却水循环管道即主循环回路包括板式换热器23的阀组回水口27和被冷却设备20功率器件水冷板回水口之间的上循环管道，以及板式换热器23的阀组供水口26和被冷却设备20功率器件水冷板供水口之间的下循环管道；所述泵组模块安装在上循环管道上；
9.所述副循环回路联通在主循环回路的下循环管道和上循环管道之间，用于为主循环回路补充冷却水、降低主循环电导率数值；
10.板式换热器23的板换回水口24经外部冷却装置5返回板换供水口25。
11.本发明进一步包括以下优选方案。
12.所述泵组模块采用主备模式，即包括并联设置的两个主循环泵1，以及与各自主循环泵1相连接的止回阀2。
13.在泵组模块与板式换热器23的阀组回水口27之间的上管道上设置电动三通阀4，所述电动三通阀4第一端连接泵组模块，第二端连接板式换热器23的阀组回水口27，第三端连通下循环管道。
14.在所述主循环回路安装温度、压力、电导率传感器。
15.被冷却设备20功率器件水冷板的回水口和泵组模块之间的上循环管道上依次安装回水流量变送器11、回水温度变送器12、加热器13、主泵进水压力变送器 14；
16.在泵组模块与电动三通阀4之间安装主泵出水压力表3；
17.在阀组供水口26和被冷却设备20的功率器件水冷板的供水口之间的下管道上还设置出水电导率变送器8、出水温度变送器9、出水压力变送器10；
18.在冷却装置泵撬外部安装环境温度变送器21。
19.所述副循环回路包括去离子罐19、补水装置、缓冲罐15；
20.在所述电动三通阀4第三端与板式换热器23的阀组供水口26的连接点和被冷却设备20功率器件水冷板的供水口之间的下循环管道上设置连通副循环回路的接口，通过副循环回路管道连接至去离子罐19的入口，去离子罐19的出口与缓冲罐15的入口相连，缓冲罐15的出口通过副循环回路管道连接至被冷却设备20功率器件水冷板的回水口和泵组模块之间的主循环回路管道即上循环管道上。
21.所述补水装置包括补水罐16、补水泵17以及副循环止回阀18，所述补水罐16 通过所述补水泵17、副循环止回阀18连接至去离子罐19的入口。
22.去离子罐19包括左右两侧对称设置两个罐体，内部填充树脂，不断净化副循环的水路，提升电导率，副循环与主循环联通，从而不断降低主循环电导率数值，将大功率变频器冷却装置主循环系统中的水电导率维持在≤0.3us/cm，所述us/cm 是指微西(门子)每厘米。
23.当主循环回路水量不足时，通过自动方式或手动方式进行补水；缓冲罐15 可以选用氮气稳压也可采用膨胀罐稳压，用于缓冲由于温度带来的压力变化。
24.所述主循环回路、板式换热器23、副循环回路均安装在一个柜体内，形成冷却装置泵撬28，冷却装置泵撬28与外部冷却装置5通过两根管道30相连。
25.所述冷却装置泵撬28采用紧凑化设计，泵组模块设置在冷却装置泵撬28的一角，板式换热器23竖立设置在泵组模块的一侧，离子罐19安装在泵组模块的对角位置，缓冲罐15和补水罐16与离子罐19同侧设置。本发明采用方管结构使整个管路结构扁平化。
26.本发明具有以下有益的技术效果：
27.本发明具有工作稳定、散热迅速、不易积尘等优点，能很好的保护功率元器件，延长变频器使用寿命。设备进出水结构采用方管集化设计，结构紧凑方便维护，并可以兼容多重外冷设备和缓冲设备。
28.水冷泵组模块集成化程度高，扩展能力强，泵组方管管路配置副循环接口，可以兼容不同缓冲形式(氮气稳压，膨胀罐稳压)，并配置冗余传感器接口可以根据需求增加冗余传感器维护方便；水冷系统泵组模块在结构上兼容同时兼容采用板换的水-水系统与采用
空冷器的水-风系统，两者切换只需要更换不分管路及支架即可完成。设备兼容性好。整个装置智能化程度高整个系统运行无需人为干预，可以实现一键启机等功能；整个装置基于plc及各类传感器配置了完善的控保逻辑和远程控制能力，具备温度保护，流量保护，电导率保护，压力保护，渗漏保护，泄漏保护，水泵切换，故障自检，等控保功能，并且系统可以根据供/ 回水温度自行判断冷却系统运行模式并自动调节冷却容量，自动控制风机，以及电动三通阀，保证水温稳定满足设备需要；整个系统通过通讯以及硬接点与上位机连上位机实现远程自动控制。
附图说明
29.图1为本发明变频器冷却装置控制系统示意图为；
30.图2本发明大功率变频器冷却装置结构示意图；
31.图3为本发明冷却装置泵撬内部构成示意图；
32.图4为本发明变频器冷却装置主要控制保护逻辑图；
33.图5.1为冷却水流量低保护逻辑示意图；
34.图5.2为供水压力低保护逻辑示意图；
35.图5.3为供水压力超高保护逻辑示意图；
36.图5.4为冷却水流量超低且供水压力低跳闸逻辑示意图；
37.图5.5为冷却水流量超低且供水压力高跳闸逻辑示意图
38.图5.6为缓冲罐液位超低跳闸逻辑示意图；
39.图5.7为水冷系统泄漏跳闸逻辑示意图。
40.其中，附图标记的含义如下：1-主循环泵(两用一备p01&p02)，2-止回阀， 3-主泵出水压力表，4-电动三通阀，5-外部冷却装置，6-外冷回水压力变送器， 7-外冷回水温度变送器，8-出水电导率变送器，9-出水温度变送器，10-出水压力变送器，11-回水流量变送器，12-回水温度变送器，13-加热器，14-主泵进水压力变送器，15-缓冲罐，16-补水罐，17-补水泵，18-副循环止回阀，19-去离子罐，20-被冷却设备，21-环境温湿度变送器，22-过滤器，23-板式换热器，24
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板换回水口，25-板换供水口，26-阀组供水口，27-阀组回水口，28-冷却装置泵撬，29-空气散热器，30-外部管道。
具体实施方式
41.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。本技术所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部实施例。基于本发明精神，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的有所其它实施例，都属于本发明的保护范围。
42.需要说明的是，术语“顶部”、“底部”、“一侧”、“另一侧”、“前面”、“后面”、“中间部位”、“内部”、“顶端”、“底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆
卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
43.如附图1所示，一种大功率变频器冷却装置在压气站集中为一台大功率变频器同时提供冷却水-水冷却模式(本发明所述的大功率变频器是指≥6mw的水冷变频器)。大功率变频器冷却装置包括功率器件水冷板、泵组模块、冷却水循环管道即主循环回路、板式换热器23、副循环回路。
44.冷却水循环管道即主循环回路主要由板式换热器23、被冷却设备功率器件水冷板之间的循环管道构成。
45.功率器件水冷板即板式换热器23设置有板换供水口25、板换回水口24、阀组供水口26和阀组回水口27，在阀组回水口27和被冷却设备20的功率器件水冷板的供水口之间的下管道上还设置出水电导率变送器8、出水温度变送器9、出水压力变送器10，经过与被冷却设备20热交换后的冷却水经过上循环管道经泵组模块、电动三通阀4与板式换热器23的阀组回水口27相连，板式换热器23的阀组供水口 26通过下循环管道经过过滤器22、出水电导率变送器8、出水温度变送器9、出水压力变送器10循环进入被冷却设备20的进水口。所述电动三通阀4的另一端连接到板式换热器23的阀组供水口26和被冷却设备功率器件水冷板的供水口之间的下循环管道上。温度，压力，电导率传感器安装在泵组模块供水口附近，被冷却设备功率器件水冷板的回水口和泵组模块之间的上循环管道上依次安装回水流量变送器11、回水温度变送器12、加热器13、主泵进水压力变送器14；在泵组模块与电动三通阀4之间安装主泵出水压力表3，以及设置在冷却装置泵撬28外部的环境温度变送器21。所述泵组模块采用主备模式，即包括并联设置的两个主循环泵，以及与各自主循环泵相连接的止回阀2。
46.参见附图2，在本发明实施例中，以空气散热器29作为外部冷却装置5，在冷却装置泵撬28和外部冷却装置5之通过外部管道30相连。
47.板式换热器23的板换供水口25经过空气散热器29循环回板换回水口24，在空气散热器29和板式换热器23的板换回水口24之间的管道到安装有外冷回水压力变送器6、外冷回水温度变送7。
48.所述副循环回路主要由去离子罐19、补水装置、缓冲罐15构成；在所述电动三通阀26另一端与板式换热器23的阀组出水口27的连接点和被冷却设备20 功率器件水冷板的供水口之间的下循环管道上设置接口，通过副循环回路管道连接至去离子罐19的入口，去离子罐19的出口与缓冲罐15的入口相连，缓冲罐 15的出口通过副循环回路管道连接至被冷却设备20功率器件水冷板的回水口和泵组模块之间的主循环回路管道即上循环管道上。所述补水装置包括补水罐16、补水泵17以及副循环止回阀18，所述补水罐15通过所述补水泵17、副循环止回阀18连接至去离子罐19的入口。
49.去离子装置19左右两侧对称设置两个罐体，内部填充树脂，不断净化副循环的水路，提升电导率，副循环与主循环联通，从而不断降低主循环电导率数值，最终维持在≤0.3us/cm，所述us/cm是指微西(门子)每厘米。当主循环系统水量不足时可以通过自动方式或手动方式进行补水。缓冲罐15可以选用氮气稳压也可采用膨胀罐稳压用于缓冲由于温度带来的压力变化。
50.大功率变频器冷却装置主要负责对大功率水冷变频器(≥6mw)提供冷去离子却水，冷却装置主泵将低温去离子冷却水输送到变频器igbt或iegt等功率器件的水冷板中经过热交换导出电机和变频器热量，再将高温水输送到空冷器或者板式换热器中，对去离子水进行降温。
51.本装置系统结构主要由四个部分构成，分为主循环回路(含泵组模块)、副循环回路，外部管道部分、柜体钢构、换热设备又根据换热设备的不同划分水风式水冷系统(外冷为空冷器)和水水式水冷系统(外冷为水冷却系统)。
52.泵组模块采用方管将两台立式水泵进行连接，2台立式水泵采用一用一备模式，泵组方管中安装三通阀与温度、压力，电导率等传感器，并预留接口与副循环和外部管道连接，为整个循环提供动力与监控数据；
53.副循环模回路主要由，去离子罐，补水装置，缓冲罐构成；去离子装置内部填充树脂，不断净化副循环的水路的电导率，副循环与主循环联通，从而不断降低主循环电导率数值，最终维持在≤0.3uscm；补水装置主要由补水泵和补水箱构成，当系统水量不足时可以通过自动方式或手动方式进行补水。缓冲罐可以选用氮气稳压也可采用膨胀罐稳压用于缓冲由于温度带来的压力变化。
54.换热设备是对从变频器导出的热水进行热交换的设备，一般有两种类型，板式换热器与空气散热器，板式换热器通常安放于设备钢构中，通过外部冷却水冷却内部去离子水。空气冷却器安装于室外与泵组模块通过管道连接，空气冷却器通过空气冷却内部去离子水
55.外冷却水系统将低温冷却水输送到变频器的水冷板，通过热交换降低变频器功率器件的工作温度。外冷却水系统再将高温冷却水输送到板式换热器或空冷器，最终将热量散发到外部冷却循环水中。
56.大功率变频器冷却装置利用自身控制系统完成整个水路各设备的监控和保护功能，采用基于plc的控制系统，稳定可靠，可将所有信号上传至上传给plc， plc与上位机相连；对实时性要求较高的远程控制信号和报警信号，外水冷系统通过开关量接点与被冷却设备监控系统进行通讯；对信息量较大的在线参数、设备状态监测及外水冷系统报警信息报文，系统通过总线(modbus rtu)与上位机进行通讯，控制系统综合多个传感器的报警信息作出跳闸报警的判断，可以避免通过单一传感器出现的误报情况，增加设备可靠性。
57.当上位机远程下达指令变频水冷启机，系统自检无故障后，启动水泵运行，在供水温度≤5℃时，系统打开加热器对主循环回路进行加热，避免进入变频器的水温过低，当温度回升到约12℃时设备停止电加热器，当供水温度继续上升至 15-20℃时系统逐步打开三通阀，使系统水流逐步进入板式换热器与设备进行换热，指导水温稳定并低于要求的供水温度，泵组上安装的电导率变送器监控系统电导率满足变频器需要；
58.参见附图4，本发明的大功率变频器冷却装置水泵切换控制逻辑：
59.主循环泵1采用主备模式，即包括并列设置的主泵p01和主泵p02，每一个主泵均配置止回阀2和水泵出口压力表3。冷却装置实时自检，主泵p01和主泵 p02的切换方式如下：
60.主泵p01运行，当设定的切泵周期到，或者主泵p01回路存在故障，或者 p01水泵出口压力低于设定阈值，或者流量低于设定阈值，则停止主泵p01运行，同时启动p02运行，延时10s后判断流量以及压力是否正常，如果不正常则停止主泵p02运行重新回切p01运行并
由控制器发告警信号，如果正常，则保持主泵 p02正常运行，等待下一次主泵切换。
61.本发明的大功率变频器冷却装置具备的主要控保逻辑如下；
62.防凝露保护：水冷系统检测到供水温度接近或低于露点时，为了防止被冷却设备以及设备管道凝露，系统将启动加热器，对水冷系统进行加热，使水温升高，达到防凝露的作用。当供水温度大于等于露点温度+4℃或者供水温度大于供水温度高报警-5℃时，复位防凝露逻辑，关闭加热器。
63.参见图5.1，在大功率变频器冷却装置中一般配置1台冷却水流量变送器(如回水流量变送器11)，涉及冷却水流量保护的产生条件为：冷却装置运行中，冷却水流量变送器正常，当冷却水流量低于设定的低值(最低阈值)，则冷却水流量低报警，并且5s后冷却水流量低保护产生。图5.2为供水压力低保护逻辑示意图，当检测到供水压力低时，大功率变频器冷却装置经5s后启动保护。图5.3为供水压力超高保护逻辑示意图，当监测到供水压力大于设定的超高阈值时，冷却装置经过3s启动保护。图5.4为冷却水流量超低且供水压力低跳闸逻辑示意图；
64.图5.5为冷却水流量超低且供水压力高跳闸逻辑示意图；这两种情况下，直接跳闸保护。图5.6为缓冲罐液位超低跳闸逻辑示意图，当监测到缓冲罐液位低于预定值时，冷却装置经10s后触发缓冲罐液位低跳闸。图5.7为水冷系统泄漏跳闸逻辑示意图，当监测到水冷系统泄漏时，经过3s触发水冷系统泄漏跳闸。基于本发明公开的大功率变频器冷却装置的其它控保逻辑，本发明不再一一详细介绍。
65.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。