煤矿用水循环冷却一体变频器散热设计

郭爱芹　陈培培

摘 要：本文主要进行了如下几个方面的研究：针对变频器的最主要功率元器件的热能损耗的原因进行彻底的分析，通过计算的方法和仿真的方式得出变频器的主要功率元器件的热能损耗值。并且用数据分析的方法分析IGBT模块传热过程，建立一个热传导的可操作的热阻数学模型，以便分析出在应用冷板散热过程中需要重点考虑的相关问题，进而达到设计出的水冷系统对IGBT和整流桥进行散热的目的。

关键词：变频器；散热；设计；煤矿；热损耗；冷板

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

0 引言

本文对冷板的散热性进行了重点分析，应用了必要的热分析软件工具，采用数值模拟的方法对能够影响水冷板散热器的相关性能的因素进行了深入的研究，分析了几种处在不同的条件下冷板散热性能的优劣，并且也注意到了水冷散热的过程中会出现冷板结露的情况，并对其进行了简单的分析，总结出可以通过控制冷板的一定的温度，对冷板结露进行阻止。该设计还精确的计算出水冷系统的压力损失，将此作为选择合适的水泵的理论根据，为项目的散热设计提供可靠的依据。

1 关于变频器散热方式的介绍

变频器的散热方式跟元器件的功率大小有关，早期大都是采用大功率的元器件进行散热，其主要操作方法是将大功率的元器件直接安装在散热器上，依靠自然的冷却而达到降温的目的，这种被称为空气自然对流冷却法。这种方法的特点是结构简单、成本低，但是散热的效果比较差，而且非常容易受到周围的一些环境因素变化的影响，通过自然冷却散热的最大面积受限，只能达到0.039W/平方厘米—0.078W/平方厘米[1]。

随着电子元器件功率的继续加大，还会采用强迫风冷进行散热，强迫风冷散热是一种非常好的散热方式，它的特点是结构简单、散热效果较好。其原理是元器件之间有较大的空间，有利于空气的流动或者直接安装散热器，这样就可以迫使空气流过发热的元器件或者是散热器来散热，通过不断增大冷却的风量或散热的面积来达到提升散热的效果。

但是，随着热源热流密度的不断提高，具有更大能力和最好效果的水冷散热装置被更加广泛的运用，水冷散热比以上两种散热的方法更具有优势：一是水强制对流的换热系数比空气对流换热系数要高出很多倍，可以高达10倍[2]。这些对比可以参见表1。二是因为水的比热容是空的4000多倍，所以，在进行热量交换的过程中水的温度上升很慢，进而维持冷板在比较低温的情况下运行，形成与热源的比较大的反差，非常有利于进行散热。而要完成相同的散热量，水冷于风冷进行比较，还具有所需要散热的面积和流道截面小的优点，因而可以更大的减少冷板的散热器的体积，而水冷散热比风冷散热还有噪音小、污染小的特点。

2 水冷系统的介绍

水冷散热是通过水带动变频器工作时而产生的热量，与风冷依赖于散热器的设计和风道的机箱设计有很大的区别，水冷系统是在一个相对密闭的环境下可以更高效的运用水的比热容，而且发挥水流动大的特点，将系统元器件热量迅速的带走。从而达到更佳的散热效果。水冷散热法不仅可以弱化机箱风道的作用，而且有兼顾了静音和效能这两个比较难融合的难题。与传统的风冷变频器相比，水冷的变频器的面积更小，但是冷却的效率更高、机器工作的噪音更低。目前，在国外关于水冷变频器已经有了非常成熟的产品，如日本生产的大容量水冷式高压变频器，还有芬兰的VACONXP系列水冷变频器。

3 国内外冷板现状对照

冷板属于一种单流体热交换器，常安装于电子设备的底座，主要的功能是通过空气、水或者其他的冷却媒体在通道中形成强大的对流，带走电子设备和电子元器件的热量。相对风冷散热器而言，冷板具有体积小、重量轻，散热力强的特点。而针对水冷冷板的设计主要体现在优化冷板尺寸，改变内部流道，从而提高整体的散热能力。对此，国内外学者都有很深入的研究。

4 降低变频器的损耗

变频器是煤矿作业中非常重要的电器，关键是解决散热问题。煤矿一直采用传统的变频器风冷散热方式，这种方式散热器体积大、效率低。因此为了改善传统变频器的这些弱点，通过对运用变频器的环境和结构要求的分析，把660V/75KW功率的变频器作为研究主体，对变频器水冷散热进行新的设计。随着电气化的发展，变频器在各个行业被广泛的应用，对于煤炭开采，变频器更是非常重要的工具，而变频器在使用过程中最常见的问题就是发热，而一旦发热将会加大机器的损耗，严重影响机器工作的效率，甚至还容易发生意外，因此，有效的解决变频器散热的问题成为一个当务之急。

5 关于冷板结露的解决方法

使用水冷散热是存在着冷板结露的现象的，而如果不能够解决冷板结露的问题，那势必会造成短路，甚至导致变频器无法正常运行。因此，将变频器设计成防爆外壳，将冷板安装在防爆外壳腔体内，变频器运行以后，腔体内的温度就会自然升高，如果腔体内的平均温度是40度，而变频器的外界环境的湿度是80%，那只要冷板的温度不低于37度，就不会出现结露现象。

6 结论

本文通过对风冷变频器和水冷变频器的各种性能的比较，通过对目前国内外对水冷变频器现状的研究，找到了更好的解决冷板结露的问题，从而可以设计出具有更先进水平和更好性能的水冷变频器，而且，通过数据模型证明这种水循环冷却一体变频器具有更好的散热性能，本文最后通过试验和仿真结果的相互对比，验证了该项目中对冷板和整机散热的数值模拟的结果是非常可靠的，按照该理论设计的水冷散热系统完全可以满足变频器功率元器件的散热，达到预期的效果，也达到了项目最终的要求。可以更加广泛的应用在煤矿的开采中。

参考文献：

[1]向晓玲，商胜，贺继军.水冷变频系统在MMD破碎站上的应用[J]. 露天采矿技术，2015（06）：61-63.

[2]陈庆贺.梭车闭式水冷系统的设计[J].煤矿机械，2014（12）：169-170.endprint