提升机变频器水冷结构设计及散热研究

引言

随着现代技术的发展,对提升机提出了更高的要求。变频器是应用变频技术与微电子技术,通过改变电机工作电源频率的方式来控制交流电动机的电力控制设备,主要由滤波、逆变、制动电源、驱动电源等组成,能够根据电机的实际需要为其提供所需的电源电压,以达到节能、调速的目的,现已被广泛应用于矿井提升机系统中。但是,随着变频器功率等级的提高,元器件发热问题逐渐突显。传统变频器主要是通过水箱储水的方式进行散热,这种方式会受到井下温度的影响,当井下温度过高时,进水温度会高于变频器设定的保护值,从而导致变频器器件老化,已经不能满足变频器散热要求。大功率散热是目前亟需解决的问题,基于此对提升机变频器水冷结构设计及散热问题进行了研究。

本文设计的提升机变频器水冷结构,结合提升机变频器要求,对水冷散热能力进行了计算,主要是计算水道面积和冷却面积,通过计算得到水冷散热能力,并对水源位置到设备位置的高度进行计算,根据水管路布线走向、总长、弯头等绘制管路图,从而实现提升机变频器水冷结构的设计。为了验证此次设计的有效性,对变频器水冷结构的散热性能进行了研究,实验对比结果表明,此次设计的提升机变频器水冷结构设计及散热设计比传统的变频器散热能力要好,具有一定的实际应用意义,合理设计变频器水冷结构能够有效平衡发热量,保证系统安全运行。

1提升机变频器水冷结构设计

1.1水冷散热能力计算

根据变频器设备的总功率,对水冷散热能力进行计算,关系到变频器的使用寿命和运行可靠性。水冷散热能力计算在结构上主要是确定水道面积和冷却面积,运用简化边界条件,引入流体力学公式确定水道面积和冷却面积。在确定水道面积和冷却面积前,对水头损失进行计算,以提高对水冷散热能力计算的准确性。水头损失计算是指流体从一端面流至另一端面所损失的机械能,其会随着程度增加而增加,计算公式为:

式中,m代表沿程阻力系数:f代表断面流损失系数:g代表沿程长度。

通过公式(1）计算得出沿程水头损失,在此基础上对水道面积进行计算,水道面积计算公式为:

式中,G代表单位时间内流经某一管道面积的流动体积:Zg

ζ代表流过管道的截面积:Fs×j代表管道内的流体速度。

在公式(2）计算完成的基础上,对冷却面积进行计算,计

算公式为:

式中,h代表流动水体流速:8代表物体的特征长度:Zg代表

ζ

水道中流体的动力黏度:代表水道中横截面积的体积流量。

通过上述公式计算完成对水冷散热能力的计算,为提升机变频器水冷结构设计及散热设计提供一定的基础。

1.2确定变频器水冷结构

在上述计算完成的基础上,对变频器水冷结构进行设计,对水源位置到设备位置的高度进行计算,根据水管路布线走向、总长、弯头等绘制管路图,在选择管道时,选择硬管与软管结合的方式进行设计,软管采用PU管,该管柔韧性较好,方便缠绕弯曲并且不会弹开:硬管采用不锈钢管和铜管,硬管可以解决安装空间受限问题,并在具体安装中,根据具体的使用情况进行确定。在此基础上,计算排水管弯头、闸阀、三通的阻力系数,进一步确定水泵的总扬程,对变频器功率进行计算,计算公式为:

式中,D(q）代表引入的计算值算法因子:

代表变频器参数:代表变频器阻力系数。

在计算完成变频器功率的基础上,对变频器水冷结构及散热进行设计,当水通过管道进入水冷板后,将功率元件发出的热量传递给水,并进入板式换热器,板式换热器通过外循环水进行换热,热量由外循环水带走,以防止外部环境温度引起变频器内部凝露现象的产生,因此在设计变频器水冷结构时,在水冷管道内加入加热装置。在变频器外部水温过低时,加热装置感应后自动启动,在温度过高时自动关闭,并根据温度大小对散热板温度进行自动调节,使外循环水带走循环水热量,以此完成提升机变频器水冷结构设计。为验证此次设计的有效性,将进行对比实验。

2对比实验

上述设计只是从理论上证明了此次设计的提升机变频器结构设计的有效性,为了证明此次设计的变频器水冷结构具有一定的实际应用效果,需进行实验论证。

为保证此次实验的严谨性,将此次设计的变频器与传统变频器进行对比,主要对比两种变频器的散热效果。设置实验环境为30℃,并将控制系统的出水温度设置在27～29℃,对变频器加载至11w,将两个变频器持续运行15h,得出两个变频器的散热效果曲线。在上述设计环境下进行实验,并由第三方软件对实验数据进行记录,生成曲线图,对比结果如图1所示。

由图1能够看出,此次设计的变频器水冷结构具有很好的散热效果,能够有效降低变频器各器件的发热量,并且能够对变频器的进水温度进行有效检测,不影响系统的整体运行。而传统变频器散热效果较差,会受到井下温度的影响,当井下温度过高时,会对变频器造成一定损坏,从而影响变频器的散热效果。通过上述实验基本能够证明此次设计的提升机变频器水冷结构的有效性,其具有一定的实际应用意义。

3结语

变频器在提升机中具有重要作用。本文针对传统变频器散热效果不好的问题,对提升机变频器水冷结构进行了改进设计。从提高变频器散热效果角度出发,对水冷散热能力进行了计算,在此基础上,对水源位置到设备位置的高度进行了计算,根据水管路布线走向、总长、弯头等绘制管路图,实现对变频器水冷结构的设计。通过实验对比证明,此次设计的变频器水冷结构比传统的变频器散热效果好,具有一定的实际应用意义。希望此次设计的变频器水冷结构能够为变频器设计提供参考,进一步推动煤矿开采的发展。