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低压变频器中的温升及其试验方法
xiao_xiao1 发表于 2009/3/20 9:29:15 425 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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1 引言
随着现代科技的发展，越来越多的行业应用变频器产品，变频器不仅用于控制多种类型的电动机，改进以后还可用于逆变电源(EPS)，总之变频器用途广泛，市场巨大。对于用户首先要掌握如何选择及正确使用变频器，以保证其可靠合理的运行。一个良好品质的变频器都应该通过真正意义上的产品质量认证及其完整的试验(型式试验)。温升试验是型式试验里的很重要的一项试验，其温升值可间接反映出变频器的工艺结构及电气设计水平、多种缺陷及故障隐患等。温升的上限值过高会造成因过载、过流、环境温度增加而烧毁变频器。温升的上限值过低会带来变频器的体积过大、成本增加等不利因素。变频器的故障率随温度升高而成指数上升，使用寿命随温度升高而成指数下降。所以应保证变频器的使用温度，认真考虑其散热问题。
2 变频器的基本原理及发热部位
随着现代科技的发展，越来越多的行业应用变频器产品，变频器不仅用于控制多种类型的电动机，改进以后还可用于逆变电源(EPS)，总之变频器用途广泛，市场巨大。对于用户首先要掌握如何选择及正确使用变频器，以保证其可靠合理的运行。一个良好品质的变频器都应该通过真正意义上的产品质量认证及其完整的试验(型式试验)。温升试验是型式试验里的很重要的一项试验，其温升值可间接反映出变频器的工艺结构及电气设计水平、多种缺陷及故障隐患等。温升的上限值过高会造成因过载、过流、环境温度增加而烧毁变频器。温升的上限值过低会带来变频器的体积过大、成本增加等不利因素。变频器的故障率随温度升高而成指数上升，使用寿命随温度升高而成指数下降。所以应保证变频器的使用温度，认真考虑其散热问题。
2 变频器的基本原理及发热部位
图1中:UR:整流模块;UI:逆变模块。
2.1 变频器的基本原理
通用型一般采用AC-DC-AC变换方式，图1绘出了一种典型的通用变频器的主电路，就是将固定不变电压和频率的工频电源转换为电压或频率可变的交流输出，以调节电动机的速度，整个过程就是整流+逆变。图2绘出了变频器输出电压波形。
图2 变频器输出电压波形
2.2 变频器的发热机理及主要部位
变频器的发热量取决于其效率，提高效率是降低温升的有效途径。效率用下式计算:
η= (P0/P1)×100%
其中:P0:变频器的输出有功功率; P1:变频器的输入有功功率。
影响效率的因素很多，如调制方式、模块、器件的性能、散热器及风机的大小、结构的合理性等等。当然主要发热部位也就是整流及逆变部分。整流一般采用三相桥式整流电路，由于是工频工作，对整流模块的开关频率没有太高的要求，选择压降小的整流模块可降低这一部分的温升。在变频器工作时，逆变模块产生的热量是非常大的，因为它是完成功率变换及输出的执行器件。变频器的逆变模块一般采用IGBT模块，它是电压型控制，驱动功率可以做小，因此控制电路简单，另外IGBT模块还具有开关损耗小、容量大等很多优点,实质是个复合功率器件。它是集双极型功率晶体管和功率MOSFET一体化的器件。IGBT模块的芯片最大额定结温是150℃，在任何工作条件下，都不允许超过，否则要发生热击穿而造成损坏，一般要留余地，在最恶劣条件下，结温限定在125℃以下，但芯片内结温监测有难度，所以变频器的IGBT模块，都在散热器表面装有温控开关，其值在80~85℃之间。另外IGBT的损耗不仅与工作电流大小有关，更重要的是与变频器的载波频率密切相关。当PWM信号频率＞5kHz时开关损耗会非常显著，温升会明显增加。IGBT的功耗包括稳态功耗和动态功耗，其动态功耗又包括开通功耗和关断功耗。
(1) IGBT的功耗
(2) 每一个IGBT开关的损耗
(3) 每一个IGBT的总功耗:PQ=PSS+PSW
(4) 二极管功耗:
(5) 每一臂的功耗:PA+PQ+PD=PSS+PSW+PDC+Prr
其中:
ESW(on): 在T=125℃时的峰值电流ICP下，每个脉冲对应的IGBT开通能量;
ESW(off): 在T=125℃时的峰值电流ICP下，每个脉冲对应的IGBT关断能量;
FSW: 变频器每臂的PWM开关频率(通常FSW=FC);
ICP: 正弦输出的电流峰值;
VCE(SAT): 在T=125℃时的峰值电流ICP下，IGBT的饱和电压;
VEC: IEP情况下，续流二极管的正向压降;
D: PWM信号占空比;
θ: 输出电压与电流间的相位角(功率因数=cosθ)。
IGBT的芯片最大额定结温是150℃，在任何工作条件下，都不允许超过，否则要发生热击穿而造成损坏，平均结温的估算: Tj= TC+PT×Rth(j-c)
Rth可以在数据手册中查到;
Rth(j-c)=标定的结壳热阻;
Tj="半导体结温";
Pt="器件的总平均功耗"(PSW+PSS);
TC="模块的基板温度"。
3 变频器温升设计
了解了整流及IGBT的模块的温度要求，就可确定模块的散热器的工作温度，合适的工作温度既可保证其经济性又可保证其长期、可靠、安全地运行，比如选择IGBT模块的散热器为70℃作为设计依据，那么温升值为:
K1= 70℃-K0=70℃-40℃=30℃
其中:K1:IGBT模块的散热器温升值; K0:最高允许环境温度。
还要参照其它各部位温升允许值以及其它的要求，如变频器的效率、防护等级、电流密度等以此来设计散热器的体积、风机的容量及母排尺寸等结构上的设计。当然不能忽略其它元器件选型的重要性。
设计完毕，将所有数据送入计算机进行仿真。温升校核可以通过计算和样品测试来进行。一般通过样品试验进行温升核算的比较多一些。如果样品试验温升不超过允许温升，则可以通过。
4 使用中导致变频器温升升高的几种因素
(1) 当前变频器的生产厂家提供的使用手册、说明书及样本所提供的使用环境条件，一般试验都是在裸机状态下取得的数据。而100kW以下变频器实际使用应该在变频器装置内(装有变频器的配电及电控设备)，这就等于改变了变频器的使用环境条件。如;防护等级、环境温度、通风等，这些因素造成温升升高。所以变频器装置的使用应做补充温升试验。
(2) 变频器的温升试验应以较严酷等级试验为依据，除非与用户达成某种协议。如开关频率(PWM、SPWM的脉宽调制频率)，在温升试验时应选脉宽调制频率的上限，不能满足要求时应考虑降容使用并应在使用手册中指明。
(3) 风道过滤网堵塞、散热风扇故障及灰尘等。
(4) 使用环境温度过高。
5 变频器的温升试验
5.1 试验依据
《调速电气传动系统 第二部分:一般要求—低压交流变频电气传动系统额定值的规定》GB/T12668.2-2002 7.3.2
5.2 试验设备的选择
采用等效法组成的温升试验设备(采用可调电阻、可调电抗器构成的模拟负载)由于不宜调节，功耗大等缺点则很少采用，如图3所示。通常采用模拟法(机组试验设备)进行温升及其它试验，如图4所示。
图3 等效法温升试验线路图
图3中: A1:输入电流表; A2:输出电流表; V1:输入电压表; V2:输出电压表。
图4 模拟法温升试验线路图a
图4中: D:电动机; F:直流发电机; A1:输入电流表; A2:输出电流表; A3:直流发电机输出电流表;
V1:输入电压表; V2:输出电压表; V3:直流发电机输出电压表。
采用模拟法就是电动机为变频器的负载并通过连接轴驱动直流发电机，三相交流逆变装置将直流发电机发出的电能回馈给电网。通过调节直流发电机的励磁改变变频器负荷的大小，整个试验过程操作简单使用方便，损耗的能量最小。这种方法不适于矢量变频器零转速及低转速的试验，因为直流电压过低时会逆变失败。另外逆变器为非正弦波时会对电网有谐波干扰。对机组试验设备有如下要求:电动机与直流发电机同轴连接组成发电机组;电动机的额定电压及容量要与变频器匹配;直流发电机的容量不低于电动机容量的110%。
5.3 试验仪器的选择
(1) V:电压表，A:电流表应采用可以测量真有效值的表记。对于测量仪表不仅有准确度要求外，测量变频器的输出电压、电流还必须如实记录下基波的有效成分，否则会给测量带来很大的误差，影响温升及其它参数测量的准确性。其表记最好经过频谱分析仪的校核(如1905a)。
(2) 可以观测到的部位可采用远红外测试仪进行温度测量。将远红外测试仪按照说明书上的距离要求对需要测试的部位进行测试，远红外测试仪要正对测试点，读取远红外测试仪上显示的读数，减去环境温度即为温升值。
(3) 热电偶
不易观测到的部位应采用热电偶测量，将热电偶粘贴在要测试部位，注意此处使用的热电偶应能承受与变频器一致的额定电压(带电部位的测量需要与热电偶电隔离)，将热电偶两端产生的热电势通过直流电压表读取，对照热电势和温升的分度表写出温升值。
(4) 热敏电阻
变频器各部位温升的测试也可用热敏电阻。例如IGBT产生的温度透过散热片传至紧贴其上的负温度系数热敏电阻,该电阻阻值的变化间接反映了IGBT的温度变化，温度/阻值详见热敏电阻温度分度表。
5.4 环境条件要求
周围空气温度在+10℃~+40℃之间，测量时至少用两个温度计，均匀分布在被试电器的周围，放置在被试电器高度的0.5m处离开被试电器的距离约1m。
5.5 试验电流的要求
各相电流平均值应≥试验电流值，但L2相电流值不得小于试验电流值，每相电流与平均电流之差不得大于＋5%。
5.6 温升测量的要求
进行温升试验时，所有的电器像正常工作那样闭合，控制电路应带电。用于温升测量的电流互感器至少为0.2级，测量用的电流表至少为0.5级，且测量时各回路电流表的指示值为全量程的2/3以上(电流表指针占满刻度的2/3以上)。
5.7 测量方法
变频器处于规定的通风和散热条件下，输入电压为额定电压，装置输出为额定电流，测试其主要部件温升。(如散热器、IGBT、整流桥、直流母线等)。用测量仪器进行温度测量，试验时间一般不低于4h，每隔30min做一次试验温升值记录，如果温度的变化速率小于1℃/h,则认为温升已达稳定值。
5.8 试验判定
其测试结果应符合附表的要求及生产厂提供的技术数据。整流桥、IGBT的温升极限可以是规定点(如外壳)的最高温升，也可以是等效结温，由制造厂决定。
