提升機變頻器水冷結(jié)構(gòu)設(shè)計及散熱研究

引言

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展,對提升機提出了更高的要求。變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù),通過改變電機工作電源頻率的方式來控制交流電動機的電力控制設(shè)備,主要由濾波、逆變、制動電源、驅(qū)動電源等組成,能夠根據(jù)電機的實際需要為其提供所需的電源電壓,以達到節(jié)能、調(diào)速的目的,現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于礦井提升機系統(tǒng)中。但是,隨著變頻器功率等級的提高,元器件發(fā)熱問題逐漸突顯。傳統(tǒng)變頻器主要是通過水箱儲水的方式進行散熱,這種方式會受到井下溫度的影響,當井下溫度過高時,進水溫度會高于變頻器設(shè)定的保護值,從而導(dǎo)致變頻器器件老化,已經(jīng)不能滿足變頻器散熱要求。大功率散熱是目前亟需解決的問題,基于此對提升機變頻器水冷結(jié)構(gòu)設(shè)計及散熱問題進行了研究。

本文設(shè)計的提升機變頻器水冷結(jié)構(gòu),結(jié)合提升機變頻器要求,對水冷散熱能力進行了計算,主要是計算水道面積和冷卻面積,通過計算得到水冷散熱能力,并對水源位置到設(shè)備位置的高度進行計算,根據(jù)水管路布線走向、總長、彎頭等繪制管路圖,從而實現(xiàn)提升機變頻器水冷結(jié)構(gòu)的設(shè)計。為了驗證此次設(shè)計的有效性,對變頻器水冷結(jié)構(gòu)的散熱性能進行了研究,實驗對比結(jié)果表明,此次設(shè)計的提升機變頻器水冷結(jié)構(gòu)設(shè)計及散熱設(shè)計比傳統(tǒng)的變頻器散熱能力要好,具有一定的實際應(yīng)用意義,合理設(shè)計變頻器水冷結(jié)構(gòu)能夠有效平衡發(fā)熱量,保證系統(tǒng)安全運行。

1提升機變頻器水冷結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1水冷散熱能力計算

根據(jù)變頻器設(shè)備的總功率,對水冷散熱能力進行計算,關(guān)系到變頻器的使用壽命和運行可靠性。水冷散熱能力計算在結(jié)構(gòu)上主要是確定水道面積和冷卻面積,運用簡化邊界條件,引入流體力學(xué)公式確定水道面積和冷卻面積。在確定水道面積和冷卻面積前,對水頭損失進行計算,以提高對水冷散熱能力計算的準確性。水頭損失計算是指流體從一端面流至另一端面所損失的機械能,其會隨著程度增加而增加,計算公式為:

式中,m代表沿程阻力系數(shù):f代表斷面流損失系數(shù):g代表沿程長度。

通過公式(1）計算得出沿程水頭損失,在此基礎(chǔ)上對水道面積進行計算,水道面積計算公式為:

式中,G代表單位時間內(nèi)流經(jīng)某一管道面積的流動體積:Zg

ζ代表流過管道的截面積:Fs×j代表管道內(nèi)的流體速度。

在公式(2）計算完成的基礎(chǔ)上,對冷卻面積進行計算,計

算公式為:

式中,h代表流動水體流速:8代表物體的特征長度:Zg代表

ζ

水道中流體的動力黏度:代表水道中橫截面積的體積流量。

通過上述公式計算完成對水冷散熱能力的計算,為提升機變頻器水冷結(jié)構(gòu)設(shè)計及散熱設(shè)計提供一定的基礎(chǔ)。

1.2確定變頻器水冷結(jié)構(gòu)

在上述計算完成的基礎(chǔ)上,對變頻器水冷結(jié)構(gòu)進行設(shè)計,對水源位置到設(shè)備位置的高度進行計算,根據(jù)水管路布線走向、總長、彎頭等繪制管路圖,在選擇管道時,選擇硬管與軟管結(jié)合的方式進行設(shè)計,軟管采用PU管,該管柔韌性較好,方便纏繞彎曲并且不會彈開:硬管采用不銹鋼管和銅管,硬管可以解決安裝空間受限問題,并在具體安裝中,根據(jù)具體的使用情況進行確定。在此基礎(chǔ)上,計算排水管彎頭、閘閥、三通的阻力系數(shù),進一步確定水泵的總揚程,對變頻器功率進行計算,計算公式為:

式中,D(q）代表引入的計算值算法因子:

代表變頻器參數(shù):代表變頻器阻力系數(shù)。

在計算完成變頻器功率的基礎(chǔ)上,對變頻器水冷結(jié)構(gòu)及散熱進行設(shè)計,當水通過管道進入水冷板后,將功率元件發(fā)出的熱量傳遞給水,并進入板式換熱器,板式換熱器通過外循環(huán)水進行換熱,熱量由外循環(huán)水帶走,以防止外部環(huán)境溫度引起變頻器內(nèi)部凝露現(xiàn)象的產(chǎn)生,因此在設(shè)計變頻器水冷結(jié)構(gòu)時,在水冷管道內(nèi)加入加熱裝置。在變頻器外部水溫過低時,加熱裝置感應(yīng)后自動啟動,在溫度過高時自動關(guān)閉,并根據(jù)溫度大小對散熱板溫度進行自動調(diào)節(jié),使外循環(huán)水帶走循環(huán)水熱量,以此完成提升機變頻器水冷結(jié)構(gòu)設(shè)計。為驗證此次設(shè)計的有效性,將進行對比實驗。

2對比實驗

上述設(shè)計只是從理論上證明了此次設(shè)計的提升機變頻器結(jié)構(gòu)設(shè)計的有效性,為了證明此次設(shè)計的變頻器水冷結(jié)構(gòu)具有一定的實際應(yīng)用效果,需進行實驗論證。

為保證此次實驗的嚴謹性,將此次設(shè)計的變頻器與傳統(tǒng)變頻器進行對比,主要對比兩種變頻器的散熱效果。設(shè)置實驗環(huán)境為30℃,并將控制系統(tǒng)的出水溫度設(shè)置在27～29℃,對變頻器加載至11w,將兩個變頻器持續(xù)運行15h,得出兩個變頻器的散熱效果曲線。在上述設(shè)計環(huán)境下進行實驗,并由第三方軟件對實驗數(shù)據(jù)進行記錄,生成曲線圖,對比結(jié)果如圖1所示。

由圖1能夠看出,此次設(shè)計的變頻器水冷結(jié)構(gòu)具有很好的散熱效果,能夠有效降低變頻器各器件的發(fā)熱量,并且能夠?qū)ψ冾l器的進水溫度進行有效檢測,不影響系統(tǒng)的整體運行。而傳統(tǒng)變頻器散熱效果較差,會受到井下溫度的影響,當井下溫度過高時,會對變頻器造成一定損壞,從而影響變頻器的散熱效果。通過上述實驗基本能夠證明此次設(shè)計的提升機變頻器水冷結(jié)構(gòu)的有效性,其具有一定的實際應(yīng)用意義。

3結(jié)語

變頻器在提升機中具有重要作用。本文針對傳統(tǒng)變頻器散熱效果不好的問題,對提升機變頻器水冷結(jié)構(gòu)進行了改進設(shè)計。從提高變頻器散熱效果角度出發(fā),對水冷散熱能力進行了計算,在此基礎(chǔ)上,對水源位置到設(shè)備位置的高度進行了計算,根據(jù)水管路布線走向、總長、彎頭等繪制管路圖,實現(xiàn)對變頻器水冷結(jié)構(gòu)的設(shè)計。通過實驗對比證明,此次設(shè)計的變頻器水冷結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的變頻器散熱效果好,具有一定的實際應(yīng)用意義。希望此次設(shè)計的變頻器水冷結(jié)構(gòu)能夠為變頻器設(shè)計提供參考,進一步推動煤礦開采的發(fā)展。