- 變頻器的溫升及其試驗方法探討
- 采用電機對拖交流電能回饋法
- 采用遠紅外測試儀或熱成像儀進行溫度測量
1 引言
隨著新型電力電子器件和高性能微處理器的應用、控制技術的發展、電機傳動技術的發展和國家節能減排的需要，變頻技術產品在國民經濟各行業得到很好應用，資料顯示，2010年低壓變頻器行業增長30%以上，規模達到160億元。一個品質良好的變頻器都應該通過產品質量認證及其完整的試驗，試驗類型包括型式試驗(typetest)、出廠試驗、抽樣試驗、選擇(專門)試驗、驗收試驗、現場調試試驗等。溫升試驗是型式試驗里的很重要的一項試驗，其溫升值可間接反映出變頻器的工藝結構及電氣設計水平、多種缺陷及故障隱患等。溫升的上限值過高會造成因過載、過流、環境溫度增加而燒毀變頻器。溫升的上限值過低會帶來變頻器的體積過大、成本增加等不利因素。變頻器的故障率隨溫度升高而成指數上升，使用壽命隨溫度升高而成指數下降，環境溫度升高10度，變頻器使用壽命減半。所以應保證變頻器的使用溫度，認真考慮其散熱問題。
2 變頻器的主要發熱部位及成因
變頻器主電路原理圖如圖1所示，一般分為整流部分、濾波部分和逆變部分及控制部分。
2.1 變頻器的發熱機理及主要發熱部位
變頻器的主要發熱部位也就是整流及逆變部分。整流一般采用三相橋式整流電路，由于是工頻工作，對整流模塊的開關頻率沒有太高的要求，選擇壓降小的整流模塊可降低這一部分的溫升。在變頻器工作時，作為完成功率變換及輸出的執行器件，逆變模塊產生的熱量是非常大的。
目前主流變頻器的逆變模塊一般采用igbt模塊(insulated gate bipolartransistor絕緣柵雙極型晶體管)，igbt是由mosfet和雙極型晶體管復合而成的一種器件，其輸入極為mosfet，輸出極為pnp晶體管，因此，可以把其看作是mos輸入的達林頓管。它融和了這兩種器件的優點，既具有mosfet器件驅動簡單和快速的優點，又具有雙極型器件容量大的優點，igbt作為電壓型控制器件，具有輸入阻抗高、驅動功率小、控制電路簡單、開關損耗小、通斷速度快、工作頻率高、功率容量大等優點，因而在現代電力電子技術中得到了越來越廣泛的應用。一般情況下流過igbt電流較大，開關頻率較高，故而器件的損耗也比較大，如果熱量不能及時散掉，使得器件的結溫tj超過tjmax，則igbt可能損壞。igbt模塊的芯片最大額定結溫tjmax是150℃，在任何工作條件下，都不允許超過，否則要發生熱擊穿而造成損壞，一般要留余地，在最惡劣條件下，結溫tj限定在125℃以下，但芯片內結溫監測有難度，所以變頻器的igbt模塊，都在散熱器表面裝有溫控開關，其值在80~85℃之間。當達到此溫度時，即因過熱保護動作，從而自動停機，以確保igbt的安全。也有用熱敏電阻進行保護的。igbt的損耗不僅與工作電流大小有關，更重要的是與變頻器的載波頻率密切相關。當pwm信號頻率＞5khz時開關損耗會非常顯著，溫升會明顯增加。igbt的功耗包括穩態功耗和動態功耗，其動態功耗又包括開通功耗和關斷功耗。
其他如半導體器件與導體的連接處、母線(排)、浪涌吸收器與主電路的電阻原件等也在變頻器工作時產生熱量，其溫升極限值在國家標準中也做出相應規定。
2.2 在使用中導致變頻器溫升升高的幾種因素
(1)大多變頻器實際使用都裝在變頻控制柜裝置內，這就等于改變了變頻器的使用環境條件。如防護等級、環境溫度、通風等，這些因素造成溫升升高。
(2)開關頻率：igbt的發熱有集中在開和關的瞬間。因此開關頻率高時自然變頻器的發熱量就變大了。
(3)變頻器的溫升試驗應以較嚴酷等級試驗為依據，除非與用戶達成某種協議。在溫升試驗時應選脈寬調制頻率的上限，不能滿足要求時應考慮降容使用并應在使用手冊中指明。
(4)風道過濾網堵塞、散熱風扇故障及灰塵等。
(5)使用環境溫度過高。
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3 變頻器溫升設計要點
溫度上升對igbt參數有很大的影響，嚴重時導致失效甚至損壞。溫度上升包含兩個意思：一是igbt中的電磁場能量轉化為熱能，主要由于器件中的電阻熱效應；一是器件發熱與外部冷卻之間的相互作用，發生的熱量如果不能及時散發出去，即散發能力不夠，則使溫度上升。如果器件工作溫度超過最高結溫，器件中的晶體管就可能會被破壞，器件也隨即失效，所以應采取各種途徑降低結溫或是讓結溫產生的熱量盡快散發到環境中。
了解了整流及igbt的模塊的溫度要求，就可確定模塊的散熱器的工作溫度，合適的工作溫度既可保證其經濟性又可保證其長期、可靠、安全地運行，比如選擇igbt模塊的散熱器為80℃作為設計依據，那么溫升值為：
k1=80℃-k0=80℃-40℃=40℃
其中：k1為igbt模塊的散熱器溫升值；k0為最高允許環境溫度。
散熱設計，取決于igbt模塊所允許的最高結溫，在該溫度下，必須要做散熱設計。為了進行散熱設計，首先要計算出器件產生的損耗，該損耗使結溫升至允許值以下來選擇散熱片。在進行熱設計時，不僅要保證其在正常工作時能夠充分散熱，而且還要保證其在發生短時過載時，igbt的結溫也不超過tjmax。按下列公式可計算出相關數值：
tj=tc+pt×rth(j-c)
其中：rth可以在數據手冊中查到，rth(j-c)為標定的結殼熱阻，tj為半導體結溫，pt為器件的總平均功耗(psw+pss)，tc為模塊的基板溫度。
設計中還要參照其它各部位溫升允許值以及其它的要求，如變頻器的效率、防護等級、電流密度等以此來設計散熱器的體積、風機的容量及母排尺寸等結構上的設計。當然不能忽略其它元器件選型的重要性。
當然，受設備的體積和重量等的限制以及性價比的考慮，散熱系統也不可能無限制地擴大。可在靠近igbt處加裝溫度繼電器、熱敏電阻等，檢測igbt的工作溫度。控制執行機構在發生異常時切斷igbt的輸入，保護其安全。普傳科技研發的變頻器具有特有的逆變模塊(igbt)溫升監控功能，風扇調節可控，適時降低電機噪音和溫升。
實踐中，將igbt安裝固定在散熱器上時應注意以下事項 ：
——由于熱阻隨igbt安裝位置的不同而不同，因此，若在散熱器上僅安裝一個igbt時，應將其安裝在正中間，以便使得熱阻最小；當要安裝多個igbt時，應根據每個igbt的發熱情況留出相應的空間；
(1)使用帶紋路的散熱器時，應將igbt較寬的方向順著散熱器的紋路，以減少散熱器的變形；
(2)散熱器的安裝表面光潔度應≤10μm，如果散熱器的表面不平，將大大增加散熱器與器件的接觸熱阻，甚至在igbt的管芯和管殼之間的襯底上產生很大的張力，損壞igbt的絕緣層；
(3)為了減少接觸熱阻，最好在散熱器與igbt模塊間涂抹導熱硅脂。
4 變頻器的溫升試驗
4.1 試驗依據
2002年制定的國家標準gb/t12668.2-2002《調速電氣傳動系統第二部分：一般要求—低壓交流變頻電氣傳動系統額定值的規定》給出了低壓變頻器一般額定值規定，在7.3.2“cdm/bdm的標準試驗”中對于溫升的“試驗方法”按《半導體變流器基本要求的規定》gb/t3859.1-1993的6.4.6規定執行。在7.4.2.5“電氣傳動系統”的專門試驗中提到溫升試驗“在要求的最大負載下，以最低轉速、基本轉速和最大轉速進行溫升試驗。溫升試驗進行到所有溫度都穩定為止”。
在gb/t3859.1-1993的“檢驗與實驗”中6.4.6“溫升試驗”中給出了具體要求：溫升試驗的目的在于測定變流器在額定條件下運行時各部件的溫升是否超過規定的極限溫升。半導體器件的溫升極限可以是規定點(例如外殼)的最高溫升，也可以是等效結溫，由制造廠決定。變流器各部位的極限溫升如表1所示。
在送審的《調速電氣傳動系統第5-1部分：安全要求：電氣、熱和能量》(gb12668.5.1)標準中，給出了“防觸電、熱和能量危險的保護”的規定“當按照設備的額定值進行試驗時，設備及其組成部分所達到的溫度應當不超過表15中給出的溫度”。對“橡膠絕緣導線或熱塑絕緣導線、用戶端子、母線和連接片或接線柱、絕緣系統、電容器、印制線路板”等“內部材料和部件的最大測量溫度”做出了說明。
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4.2 試驗方法與設備的選擇
試驗中根據試驗條件可選擇不同的試驗方法。
4.2.1 等效法溫升試驗
采用可調電阻、可調電抗器構成的模擬負載，由于不宜調節，功耗大等缺點則很少采用，如圖2所示。
4.2.2 模擬法溫升試驗
通常采用模擬法(機組試驗設備)進行溫升及其它試驗，如圖3所示。
采用模擬法就是電動機為變頻器的負載并通過連接軸驅動直流發電機，三相交流逆變裝置將直流發電機發出的電能回饋給電網。通過調節直流發電機的勵磁改變變頻器負荷的大小，整個試驗過程操作簡單使用方便，損耗的能量最小。這種方法不適于矢量變頻器零轉速及低轉速的試驗，因為直流電壓過低時會逆變失敗。另外逆變器為非正弦波時會對電網有諧波干擾。對機組試驗設備有如下要求：電動機與直流發電機同軸連接組成發電機組；電動機的額定電壓及容量要與變頻器匹配；直流發電機的容量不低于電動機容量的110%。
4.2.3 電機對拖電能回饋法溫升試驗
采用電機對拖交流電能回饋法，試驗主電路示意圖如圖4所示。本方法是采用兩臺同功率的三相異步電機同軸連接。陪試機通過工頻啟動后，變頻器利用速度追蹤功能驅動電機跟隨陪試機，變頻器輸出頻率略高于工頻，陪試機處于發電狀態，消耗電能回饋電網。
普傳科技采用此方法進行的溫升試驗，線路簡單，能源消耗少，測試數據可信。采用埋置檢溫計法將電阻檢溫計、熱電耦或半導體熱敏元件埋植于變頻器內部不能觸及的部位，如igbt在散熱器的固定處(至少2點)、整流橋在散熱器固定處等，經連接導線引到變頻器外的二次儀表，通過溫度儀表顯示讀數，從而測定溫度值。在測量時應控制測量電流的大小和通電時間，以免因測量電流引起的發熱而帶來誤差。每個檢測元件應與被檢測點表面緊密相貼，以有效的防止測溫元件受到冷卻介質的影響。
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本方法對于測試電機溫升也是一個很好的簡易有效方法。
用鉗式電流表測得變頻器輸出電流(與變頻器鍵盤顯示電流對比)，用電壓表測試輸入電壓(與變頻器鍵盤顯示電壓對比)。本試驗方法的好處是控制簡單，電能回饋電網節省能源消耗。圖5為試驗臺。
4.3 試驗儀器的選擇
(1)電壓表和電流表：應采用可以測量真有效值的表記。對于測量儀表不僅有準確度要求外，測量變頻器的輸出電壓、電流還必須如實記錄下基波的有效成分，否則會給測量帶來很大的誤差，影響溫升及其它參數測量的準確性。其表記最好經過頻譜分析儀的校核(如1905a)。
(2)遠紅外測試儀或熱成像儀：可以觀測到的部位可采用遠紅外測試儀或熱成像儀進行溫度測量。將遠紅外測試儀按照說明書上的距離要求對需要測試的部位進行測試，遠紅外測試儀要正對測試點，讀取遠紅外測試儀上顯示的讀數，減去環境溫度即為溫升值。
(3)熱電偶：不易觀測到的部位應采用熱電偶測量，將熱電偶粘貼在要測試部位，注意此處使用的熱電偶應能承受與變頻器一致的額定電壓(帶電部位的測量需要與熱電偶電隔離)，將熱電偶兩端產生的熱電勢通過直流電壓表讀取，對照熱電勢和溫升的分度表寫出溫升值。
(4)熱敏電阻：變頻器主要部位溫升的測試也可用熱敏電阻。例如igbt產生的溫度透過散熱片傳至緊貼其上的負溫度系數熱敏電阻，該電阻阻值的變化間接反映了igbt的溫度變化，國內性能好的變頻器一般具有igbt溫度值顯示功能。
(5)溫度顯示儀表。
(6)用于溫升測量的電流互感器至少為0.2級，測量用的電流表至少為0.5級，且測量時各回路電流表的指示值為全量程的2/3以上(電流表指針占滿刻度的2/3以上)。
4.4 測量方法與結果判定
國家標準gb/t3859.1-1993的“檢驗與實驗”中6.4.6“溫升試驗”中給出了試驗的基本要求：試驗應在規定的額定電流和工作制，以及在最不利的冷卻條件下進行。對于小型變流器。溫升試驗應結合負載試驗同時進行。對于大型變流器，可與額定電流試驗(6.4.3)結合進行，但應注意，如果加上高電壓會出現可觀的開關損耗時(例如中頻感應加熱用變流器)，則引起的附加溫升應予以考慮。
試驗時，測溫元件可以使用溫度計、熱電偶、熱敏元件、紅外測溫計或其他有效的方法。溫升應盡可能在規定點測量。如果變流器的額定值不是基于連續工作制，則應測量主電路部件和冷卻系統的熱阻抗。對主電路的半導體器件，應測量若干個器件。其中應包括冷卻條件最差的器件。記錄半導體器件規定部位的溫升和計算等效結溫，并以此說明在考慮了并聯器件的均流情況之后，裝置能承受規定的負載而不超過規定的最高等效結溫。
變頻器處于規定的通風和散熱條件下，輸入電壓為額定電壓，裝置輸出為額定電流，測試其主要部件溫升，如散熱器、igbt、整流橋、直流母線等。用測量儀器進行溫度測量，試驗時間一般不低于2h，每隔20min做一次試驗溫升值記錄，如果溫度的變化速率小于1℃/h，則認為溫升已達穩定值。
環境條件要求：變頻器周圍空氣溫度在+10℃~+40℃之間，測量時至少用兩個溫度計，均勻分布在變頻器的周圍，放置在被試電器高度的0.5m處離開被試電器的距離約1m。
試驗判定：其測試結果應符合附表的要求及生產廠提供的技術數據。整流橋、igbt的溫升極限可以是規定點(如外殼)的最高溫升，也可以是等效結溫，由半導體器件廠提供的資料決定。
5 結束語
溫升試驗作為考核變頻器軟件控制損耗和結構優化具有重要作用，事實證明凡經試驗驗證符合標準要求，并通過長時間考核的變頻器投運以后，都會有很高的可靠性。根據變頻器的發熱原因，并對其進行溫升考核是提高變頻器使用壽命的重要前提。在試驗方法上節省能源、費用少、操作簡單又達到測試目的的“電機對拖交流回饋法變頻器溫升試驗”值得推廣。
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