變頻器的溫升試驗(yàn)方法

　　1  引言 

　　      隨著新型電力電子器件和高性能微處理器的應(yīng)用以及控制技術(shù)的發(fā)展及電機(jī)傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展和國家節(jié)能減排的需要，變頻技術(shù)產(chǎn)品在國民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)得到很好應(yīng)用，資料顯示，2010年低壓變頻器行業(yè)增長(zhǎng)30%以上，規(guī)模達(dá)到160億元。一個(gè)品質(zhì)良好的變頻器都應(yīng)該通過產(chǎn)品質(zhì)量認(rèn)證及其完整的試驗(yàn)，試驗(yàn)類型包括型式試驗(yàn)（Type test）、出廠試驗(yàn)、抽樣試驗(yàn)、選擇（專門）試驗(yàn)、驗(yàn)收試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試試驗(yàn)等。溫升試驗(yàn)是型式試驗(yàn)里的很重要的一項(xiàng)試驗(yàn)，其溫升值可間接反映出變頻器的工藝結(jié)構(gòu)及電氣設(shè)計(jì)水平、多種缺陷及故障隱患等。溫升的上限值過高會(huì)造成因過載、過流、環(huán)境溫度增加而燒毀變頻器。溫升的上限值過低會(huì)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(shù)上升，使用壽命隨溫度升高而成指數(shù)下降，環(huán)境溫度升高10 度，變頻器使用壽命減半。所以應(yīng)保證變頻器的使用溫度，認(rèn)真考慮其散熱問題。

　　2  變頻器的主要發(fā)熱部位

　　變頻器主電路原理如下圖表示，一般分為整流部分、濾波部分和逆變部分及控制部分。 

圖1典型的通用變頻器主電路原理圖

.　　2.1 變頻器的發(fā)熱機(jī)理及主要部位

　　變頻器的主要發(fā)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(duì)整流模塊的開關(guān)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(shí)，作為完成功率變換及輸出的執(zhí)行器件的逆變模塊產(chǎn)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 Bipolar Transistor(絕緣柵雙極型晶體管)， IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復(fù)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(dá)林頓管。它融和了這兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，既具有MOSFET器件驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單和快速的優(yōu)點(diǎn)，又具有雙極型器件容量大的優(yōu)點(diǎn)，IGBT作為電壓型控制器件，具有輸人阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、控制電路簡(jiǎn)單、開關(guān)損耗小、通斷速度快、工作頻率高、功率容量大等優(yōu)點(diǎn)，因而在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。一 般情況下流過IGBT的較大，開關(guān)頻率較高，故而器件的損耗也比較大，如果熱量不能及時(shí)散掉，使得器件的 結(jié)溫Tj超過Tjmax， 則IGBT可能損壞。IGBT模塊的芯片最大額定結(jié)溫Tjmax是150℃，在任何工作條件下，都不允許超過，否則要發(fā)生熱擊穿而造成損壞，一般要留余地，在最惡劣條件下，結(jié)溫Tj限定在125℃以下，但芯片內(nèi)結(jié)溫監(jiān)測(cè)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(guān)，其值在80~85℃之間。當(dāng)達(dá)到此溫度時(shí)，即因過熱保護(hù)動(dòng)作，從而自動(dòng)停機(jī)，以確保IGBT的安全。也有用熱敏電阻進(jìn)行保護(hù)的。IGBT的損耗不僅與工作電流大小有關(guān)，更重要的是與變頻器的載波頻率密切相關(guān)。當(dāng)PWM信號(hào)頻率＞5kHz時(shí)開關(guān)損耗會(huì)非常顯著，溫升會(huì)明顯增加。IGBT的功耗包括穩(wěn)態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗，其動(dòng)態(tài)功耗又包括開通功耗和關(guān)斷功耗。

　　其他如半導(dǎo)體器件與導(dǎo)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(shí)產(chǎn)生熱量，其溫升極限值在國家標(biāo)準(zhǔn)中也做出相應(yīng)規(guī)定。

　　3  變頻器的溫升試驗(yàn)

　　3.1 試驗(yàn)依據(jù)

　　     2002年制定的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12668.2-2002《調(diào)速電氣傳動(dòng)系統(tǒng) 第二部分:一般要求—低壓交流變頻電氣傳動(dòng)系統(tǒng)額定值的規(guī)定》給出了低壓變頻器一般額定值規(guī)定，在7.3.2 “CDM/BDM的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)”中對(duì)于溫升的“試驗(yàn)方法”按《半導(dǎo)體變流器 基本要求的規(guī)定》GB/T3859.1-1993的6.4.6規(guī)定執(zhí)行。在7.4.2.5 “電氣傳動(dòng)系統(tǒng)”的專門試驗(yàn)中提到溫升試驗(yàn)“在要求的最大負(fù)載下，以最低轉(zhuǎn)速、基本轉(zhuǎn)速和最大轉(zhuǎn)速進(jìn)行溫升試驗(yàn)。溫升試驗(yàn)進(jìn)行到所有溫度都穩(wěn)定為止”。

　　在GB/T3859.1-1993的“檢驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)”中6.4.6“溫升試驗(yàn)”中給出了具體要求：溫升試驗(yàn)的目的在于測(cè)定變流器在額定條件下運(yùn)行時(shí)各部件的溫升是否超過規(guī)定的極限溫升。半導(dǎo)體器件的溫升極限可以是規(guī)定點(diǎn)(例如外殼)的最高溫升，也可以是等效結(jié)溫，由制造廠決定。變流器各部位的極限溫升如下表：

　　在送審的《調(diào)速電氣傳動(dòng)系統(tǒng)第5-1部分：安全要求：電氣、熱和能量》（GB12668.5.1）標(biāo)準(zhǔn)中，給出了“防觸電、熱和能量危險(xiǎn)的保護(hù)”的規(guī)定“當(dāng)按照設(shè)備的額定值進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，設(shè)備及其組成部分所達(dá)到的溫度應(yīng)當(dāng)不超過表15中給出的溫度”。對(duì)“橡膠絕緣導(dǎo)線或熱塑絕緣導(dǎo)線、用戶端子、母線和連接片或接線柱、絕緣系統(tǒng)、電容器、印制線路板”等“內(nèi)部材料和部件的最大測(cè)量溫度”作出了說明。

　　3.2 試驗(yàn)方法與設(shè)備的選擇

　　      試驗(yàn)中根據(jù)試驗(yàn)條件可選擇不同的試驗(yàn)方法。

　　4.2.1等效法溫升試驗(yàn)：采用可調(diào)電阻、可調(diào)電抗器構(gòu)成的模擬負(fù)載，由于不宜調(diào)節(jié)，功耗大等缺點(diǎn)則很少采用  

　　4.2.2模擬法溫升試驗(yàn)：通常采用模擬法(機(jī)組試驗(yàn)設(shè)備)進(jìn)行溫升及其它試驗(yàn)，

　　         4.2.3電機(jī)對(duì)拖電能回饋法溫升試驗(yàn)：采用電機(jī)對(duì)拖交流電能回饋法，試驗(yàn)主電路示意圖如圖4所示。本方法是采用兩臺(tái)同功率的三相異步電機(jī)同軸連接。陪試機(jī)通過工頻啟動(dòng)后，變頻器利用速度追蹤功能驅(qū)動(dòng)電機(jī)跟隨陪試機(jī)，變頻器輸出頻率略高于工頻，陪試機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，消耗電能回饋電網(wǎng)。

　　普傳科技采用此方法進(jìn)行的溫升試驗(yàn)，線路簡(jiǎn)單，能源消耗少，測(cè)試數(shù)據(jù)可信。采用埋置檢溫計(jì)法將電阻檢溫計(jì)、熱電耦或半導(dǎo)體熱敏元件埋植于變頻器內(nèi)部不能觸及的部位，如IGBT在散熱器的固定處（至少2點(diǎn)）、整流橋在散熱器固定處等，經(jīng)連接導(dǎo)線引到變頻器外的二次儀表，通過溫度儀表顯示讀數(shù)，從而測(cè)定溫度值。在測(cè)量時(shí)應(yīng)控制測(cè)量電流的大小和通電時(shí)間，以免因測(cè)量電流引起的發(fā)熱而帶來誤差。每個(gè)檢測(cè)元件應(yīng)與被檢測(cè)點(diǎn)表面緊密相貼，以有效的防止測(cè)溫元件受到冷卻介質(zhì)的影響。

　　本方法對(duì)于測(cè)試電機(jī)溫升也是一個(gè)很好的簡(jiǎn)易有效方法。
圖4：電機(jī)對(duì)拖交流回饋法溫升試驗(yàn)

　　用鉗式電流表測(cè)得變頻器輸出電流（與變頻器鍵盤顯示電流對(duì)比），用電壓表測(cè)試輸入電壓（與變頻器鍵盤顯示電壓對(duì)比）。本試驗(yàn)方法的好處是控制簡(jiǎn)單，電能回饋電網(wǎng)節(jié)省能源消耗。圖5為試驗(yàn)臺(tái)。
~ 

圖5：采用電機(jī)對(duì)拖交流回饋法的溫升試驗(yàn)臺(tái)

　　3.4 測(cè)量方法與結(jié)果判定

　　      國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3859.1-1993的“檢驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)”中6.4.6“溫升試驗(yàn)”中給出了試驗(yàn)的基本要求：試驗(yàn)應(yīng)在規(guī)定的額定電流和工作制，以及在最不利的冷卻條件下進(jìn)行。對(duì)于小型變流器.溫升試驗(yàn)應(yīng)結(jié)合負(fù)載試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行。對(duì)于大型變流器，可與額定電流試驗(yàn)(6.4.3)結(jié)合進(jìn)行，但應(yīng)注意，如果加上高電壓會(huì)出現(xiàn)可觀的開關(guān)損耗時(shí)(例如中頻感應(yīng)加熱用變流器)，則引起的附加溫升應(yīng)予以考慮。 

　　     試驗(yàn)時(shí)，測(cè)溫元件可以使用溫度計(jì)、熱電偶、熱敏元件、紅外測(cè)溫計(jì)或其他有效的方法。溫升應(yīng)盡可能在規(guī)定點(diǎn)測(cè)量。如果變流器的額定值不是基于連續(xù)工作制，則應(yīng)測(cè)量主電路部件和冷卻系統(tǒng)的熱阻抗。對(duì)主電路的半導(dǎo)體器件，應(yīng)測(cè)量若干個(gè)器件.其中應(yīng)包括冷卻條件最差的器件。記錄半導(dǎo)體器件規(guī)定部位的溫升和計(jì)算等效結(jié)溫，并以此說明在考慮了并聯(lián)器件的均流情況之后, ，裝置能承受規(guī)定的負(fù)載而不超過規(guī)定的最高等效結(jié)溫。

　　變頻器處于規(guī)定的通風(fēng)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(cè)試其主要部件溫升。(如散熱器、IGBT、整流橋、直流母線等)。用測(cè)量?jī)x器進(jìn)行溫度測(cè)量，試驗(yàn)時(shí)間一般不低于2h，每隔20min做一次試驗(yàn)溫升值記錄，如果溫度的變化速率小于1℃/h,則認(rèn)為溫升已達(dá)穩(wěn)定值。

　　環(huán)境條件要求：變頻器周圍空氣溫度在+10℃~+40℃之間，測(cè)量時(shí)至少用兩個(gè)溫度計(jì)，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(yàn)判定：其測(cè)試結(jié)果應(yīng)符合附表的要求及生產(chǎn)廠提供的技術(shù)數(shù)據(jù)。整流橋、IGBT的溫升極限可以是規(guī)定點(diǎn)(如外殼)的最高溫升，也可以是等效結(jié)溫，由半導(dǎo)體器件廠提供的資料決定。 

　　4  結(jié)束語

　　     溫升試驗(yàn)作為考核變頻器軟件控制損耗和結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要作用，事實(shí)證明凡經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證符合標(biāo)準(zhǔn)要求，并通過長(zhǎng)時(shí)間考核的變頻器投運(yùn)以后，都會(huì)有很高的可靠性。根據(jù)變頻器的發(fā)熱原因，并對(duì)其進(jìn)行溫升考核是提高變頻器使用壽命的重要前提。在試驗(yàn)方法上節(jié)省能源、費(fèi)用少、操作簡(jiǎn)單又達(dá)到測(cè)試目的的“電機(jī)對(duì)拖交流回饋法變頻器溫升試驗(yàn)”值得推廣。

　　參考文獻(xiàn)：1) ’Times New Roman’; mso-hansi-font-family: Helvetica">低壓變頻器中的溫升及其試驗(yàn)方法 ’Times New Roman’; mso-hansi-font-family: Helvetica">天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所  ’Times New Roman’; mso-hansi-font-family: Helvetica">劉霞  ’Times New Roman’; mso-hansi-font-family: Helvetica">徐和平

　　2<變頻器世界> 2006.4 2) GB/T3859.1-1993 《半導(dǎo)體變流器 基本要求的規(guī)定》