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摘要：水冷系统性能指标要求；水冷系统结构和原理；控制系统；本水冷系统采用2台泵，分别用于一次供水循环和换热循环，互不干涉，各自履行职责，大大增强系统的稳定性，可靠性，水温的控制精度。4年的无故障运行也证明该方案优于其他设计。

关键词：冷却系统；温度；压力；流量；板式换热器；泵；

前言：这是用于中车半导体的实例项目，要求给变流器和电机提供设定温度，压力和流量的冷却水，设备必须具备长期运行的稳定性，可靠性。水冷系统自2020年2月投入使用以来，运行稳定，满足客户需求。

一、水冷系统结构和原理

水冷系统由一次水循环系统，一次水和二次水换热系统，去离子水系统，控制系统等组成，全部集成在一个水冷主机（柜）中。总散热量不低于150kW，用于对两路控制器、电机进行冷却，并要求被试品进水温度恒定，恒温精度±2℃。水冷系统主要为被试品提供冷却液，其流量、压力、温度可通过本地或远程通讯方式进行监测和调节。被冷却品分为两路，每路最大流量100L/min，共计最大200L/min，要求电控连续可调，每路带流量计（可现场显示流量），水冷系统原理图如图所示[1]。

（一）一次水循环系统

水泵从水箱吸水进入被试品电机和变流器，压力由水泵变频控制，每一台被试品进口的电动阀控制各支路的流量，各支路进口均安装流量计，出口安装温度传感器和压力传感器。

（二）一次水和二次水换热系统

水泵从水箱吸水进入板式换热器同二次水进行热量交换，二次水流量恒定不变，一次水泵接受水箱温度传感器的信号指令而自动变频控制进入板式换热器的流量，从而保证水箱的水恒温在设定温度的±2℃以内。

（三）去离子水系统

小水泵从水箱吸水进入去离子装置进行处理后回到水箱，循环往复，保证整个系统内水电导率＜2uS/cm。去离子装置中树脂品牌为德国拜尔抛光树脂NM60[2]。

（四）控制系统

设置本地和远程控制，自动控制温度，压力，流量。水冷系统的流量、压力、温度以及故障信息既可以在本地触摸屏上显示，也可通过以太网通讯上传至远程上位机。两路被试品进口管路，去离子回路，板式换热器的两侧管理都安装流量计，监控运行情况。被试品进口总管和两路被试品出口管路都安装压力传感器和压力表，监测管路压力情况。冷却介质为去离子水，且为闭式循环。要求流量可调，能够本地和远程控制水泵电机的启停[3]。

二、主要部件说明

（一）水冷主机

1.本套水冷系统主机采用集成水冷机柜形式设计，水箱、水泵、板式换热器、水处理装置，电控系统等主要设备均要求集成在一个水冷主机柜之中，设置显示屏；

2.柜体底部应有接水槽，水冷系统万一漏水，能及时将水自行排出至下水道，不能有水流到地面；

3.柜体外围水管接口处下方应有接水槽，拆接水管时防止将水漏到地面，能及时将水自行排出；

4.柜体内部所有管路连接应使用硬管（不锈钢）连接，防止水压过高导致接口脱落

5.一次水循环泵1套，换热系统泵1套，去离子水泵1套。

6.水冷主机外形尺寸：1600mm（长）*1200mm（宽）*1950mm（高）。

7.柜体的底部两侧焊接50槽钢，方便叉车搬运。

8.水冷主机为柜体结构，四面开门结构，方便检修。正面为触摸屏操作面，左侧为2路被试品进出口，背面为二次水进出口和补水口。由于开门空间有限，每扇门的开度小于500[4]。

（二）水泵

其材质为不锈钢泵，上市公司南方泵业品牌。一次水泵：CDMF15-5。换热水泵：CDMF15-3。去离子水泵：CHL4-40.

（三）水箱

1.水箱材质为SUS304不锈钢材料；尺寸700*500*1600，L=0.56m3

2.水箱水质要求：配备去离子装置，电导率＜2us/cm；

3.水箱可配备浮球阀，自动补水（甲方提供一路ro水）；

4.水箱上安装水位计、液位传感器，并带上下限报警；

5.水箱底部应有安装排水阀，水箱侧面顶部有溢流口，相应位置均要求设置空气过滤器；

6.水箱外部有保温层，保温效率不小于95%；

7.水箱在使用中不得漏水、锈蚀和开裂；

（四）冷却介质

本系统冷却介质为去离子水，配备去离子装置，以满足试验要求。去离子树脂采用德国拜尔抛光树脂NM60，确保水冷装置内循环水的电导率＜2us/cm。

（五）传感器

其中，流量传感器选用天津流量仪表/江苏华仪产品；压力传感器：型号P51-10，美国进口SSI公司产品；温度传感器：选用上海致远/江苏华仪产品；电导率传感器：水冷装置的水箱及水处理装置出口安装电导率传感器，进行水电导率检测。

（六）液位传感器

水冷装置的水箱要求通过液位传感器进行水箱液位检测，型号P52-25，美国进口SSI公司产品。

（七）控制及监测

1.动力回路：甲方提供1路三相五线制的380V±10%，50Hz供电，具备可靠接地点，可确保设备运行的稳定和安全。

2.主循环回路的主循环泵，设就地状态显示灯，指示当前运行状态，提供对泵的短路、过流和缺相保护。故障状态信息上传。

3.水冷系统要求能在近端（水冷主机）及远端（试验台总控制台）进行控制操作（水泵启停等）及监测各传感器数据[5]。

4.传感器监视数据应进行防干扰处理，测量数据稳定可靠；

5.控制系统：控制电源从动力回路的三相五线制电源获取，不单独提供控制电源。控制系统采用基于西门子PLC编程的控制保护系统，从而实现：对水冷系统的监控与保护；将水冷系统的工作状况上传给试验台主控制器；对水冷系统的远程控制，保护被冷却器件。通讯接口：以太网通讯。

（八）管路及阀门

1.水冷系统的钢管之间、钢管与附件之间采用焊接连接，焊缝应平整、光滑，氧化皮应清洗干净并露出金属本色，钢管与其它部件的连接采用法兰连接，密封垫密封性应能多次重复使用。

2.所有的不锈钢设备、管道焊接采用氩弧焊工艺，并经过严格的酸洗、试压、清洗过程。

3.流量传感器在其进水端应有10倍公称直径的直管长度，在其出水端应有5倍公称直径的直管长度。

4.水冷系统的管路布置应简洁、方便水冷系统调整及维护保养；水冷系统各管道安装后应平直，不得有弯斜。

5.被试品前后需配金属软管对接，软管长度不低于3m，以适应被试品位置的调整。

6.水流量调节阀门和补水接头应安装在方便操作位置。

7.各管道应加支撑并固定好，在工作时不得有晃动。

8.水冷系统管道的最低位置设置了排污口、紧急排放口等，并保留有足够的检修空间。

9.水冷系统对接被试品进出水口处，均需设置过滤器，以隔离被试品杂质。

10.水冷机冷却管路及换热器需覆盖保温层。

11.各水管回路应详细标明进出水流向、用途和开关状态；

三、接口

（一）外观要求

1.在水冷系统中除不锈钢结构件表面外，其余所有结构件在清除锈蚀和打磨平整后表面应涂两遍防锈漆和面漆，漆面应均匀、平整，应满足GB/T 50242给水管要求，油漆颜色RAL7035；组装件表面无氧化和锈蚀；

2.各构成部件应安装端正、整齐，无明显偏差、松动现象；

3.水容器及管道无明显凹陷，焊缝无夹渣、疤痕；

4.外表涂漆均匀，不得有脱落、流挂、划痕、裂缝等缺陷；

5.指示灯和按钮的颜色应符合GB 2682-1981的规定；

6.对于未涉及到的缺陷或用语言无法描述的缺陷，以器件制造商样本资料为准。

7.水管连接处及水管与法兰连接处的焊缝应平整、光滑，焊后应清除焊渣、飞溅物及氧化物并按GB/T 50242要求做好表面处理；

（二）人机接口要求

1.所有传感器信号，能在水冷系统机柜 （控制盒）和上位机显示运行数据。各主路、支路电控调节阀门，在现场安装时，应方便操作。

2.按钮与指示灯应有序排列，便于操作与观察，并配有清晰的标识。按钮至少应当包括启动、停止；指示灯至少应当包括启动、预警、故障三种状态。

3.水冷主机设置显示屏：可实时显示水冷系统各监控参数，可就地操作及设定参数，可实时显示报警信息；主画面显示冷却系统工艺流程简图；主画面显示冷却系统运行状态；主画面压力、流量、温度、液位等主要参数在线显示；报警时显示当前报警信息条，如供水温度高等。

（三）机械接口要求

1.被试品接口待定，采用金属软管过渡连接，确认后配接，软管接头应方便更换、不漏水、经久耐用。

2.弯头和钢管直接焊接，温度传感器、压力传感器用密封性好的接头，联接在管道上。

3.给出变流器、电机的法兰接口，增加需连接到被试品的管路要求说明。

4.给出已有外水系统的接口，增加需连接到外水系统的管路要求说明。

（四）电气接口要求

1.电源输入：三相五线制，380V，50Hz；

2.所有电气设备控制应在一台控制箱上，电机除本地控制外亦可通过控制箱远程控制；

3.开关量接口：提供故障预警和故障跳闸两组无源触点；

4.所有流量、压力、温度等测控数据和控制通过工业以太网和试验台主控PLC通信，并提供通讯协议。

5.乙方负责提供满足试验要求的所有动力柜、控制柜、动力电缆及控制线缆的设备及安装。四、环保要求

紧固件全部采用不锈钢材料，环氧件表面采取喷涂油漆处理，金属结构件采用磷化后喷塑处理；产品运行噪声≤80dB（A），采取措施尽可能有效降低设备运行的噪音。

（一）标识

水冷系统各部件和水、电路管线等应有清晰、持久的标识，便于试验机的故障排查和维修保养。系统和部件铭牌应包含相应的制造商、型号、规格、压力、流量、功率、制造日期等内容。

（二）包装、运输、储存

水冷系统的包装须满足国家标准，用环保的可回收的材料，包装须符合防潮、防尘、防震要求，对重心明显偏置的设备，在包装箱上须标明重心位置。包装箱须方便叉车或吊车进行搬运。同时，乙方须选用安全稳妥的运输工具，负责将产品运送到甲方指定的地点进行安装调试。产品在运输过程中出现任何锈蚀、碰伤、损坏，都视为不合格，乙方应立即无偿进行更换。另外，产品应储存在清洁、干燥的环境下。

（三）质量保证

在遵守产品注意事项、安装及使用规则的条件下，产品自验收合格（正常交付）之日起，因产品本身质量引起的故障免费保修期为12个月。质保期过后，供应商负责终生维修服务。管路、阀门采用304不锈钢材料，管路冲洗干净，不允许留有杂物。而后，开展压力试验：管路设备安装完毕后，管路系统灌满水，排完空气，用试压泵打压到0.8MPa的水压，保持30min，各管道应无破裂，渗水等现象才合格。

结束语：本水冷系统采用2台泵，分别用于一次供水循环和换热循环，互不干涉，各自履行职责，大大增强系统的稳定性，可靠性，水温的控制精度。4年的无故障运行也证明该方案优于其他设计。

参考文献

[1]杨飞，王喆，李政. 风电变流器的水冷系统性能研究 [J]. 电工技术， 2021， （22）： 36-39.

[2]尹鹏博. DF500A型短波发射机水冷系统基本原理及维护 [J]. 电子测试， 2021， （13）： 121-122+103.

[3]许雯榕，花侃，张喆等. 换流站外水冷系统控制逻辑缺陷分析及对策 [J]. 电工电气， 2021， （06）： 43-46.

[4]冯会良. 电力电子设备市场展望及水冷系统冷却液性能要求 [J]. 石油商技， 2021， 39 （02）： 10-13.

[5]梁鑫. 矿用高压变频器水冷系统的改造实践 [J]. 机械工程师， 2021， （04）： 132-133+137.