- 變頻器的溫升及其試驗(yàn)方法探討
- 采用電機(jī)對拖交流電能回饋法
- 采用遠(yuǎn)紅外測試儀或熱成像儀進(jìn)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(yīng)用、控制技術(shù)的發(fā)展、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)(typetest)、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(fā)熱機(jī)理及主要發(fā)熱部位
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，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 bipolartransistor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，具有輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、控制電路簡單、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電流較大，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。
2.2 在使用中導(dǎo)致變頻器溫升升高的幾種因素
(1)大多變頻器實(shí)際使用都裝在變頻控制柜裝置內(nèi)，這就等于改變了變頻器的使用環(huán)境條件。如防護(hù)等級、環(huán)境溫度、通風(fēng)等，這些因素造成溫升升高。
(2)開關(guān)頻率：igbt的發(fā)熱有集中在開和關(guān)的瞬間。因此開關(guān)頻率高時(shí)自然變頻器的發(fā)熱量就變大了。
(3)變頻器的溫升試驗(yàn)應(yīng)以較嚴(yán)酷等級試驗(yàn)為依據(jù)，除非與用戶達(dá)成某種協(xié)議。在溫升試驗(yàn)時(shí)應(yīng)選脈寬調(diào)制頻率的上限，不能滿足要求時(shí)應(yīng)考慮降容使用并應(yīng)在使用手冊中指明。
(4)風(fēng)道過濾網(wǎng)堵塞、散熱風(fēng)扇故障及灰塵等。
(5)使用環(huán)境溫度過高。
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3 變頻器溫升設(shè)計(jì)要點(diǎn)
溫度上升對igbt參數(shù)有很大的影響，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致失效甚至損壞。溫度上升包含兩個(gè)意思：一是igbt中的電磁場能量轉(zhuǎn)化為熱能，主要由于器件中的電阻熱效應(yīng)；一是器件發(fā)熱與外部冷卻之間的相互作用，發(fā)生的熱量如果不能及時(shí)散發(fā)出去，即散發(fā)能力不夠，則使溫度上升。如果器件工作溫度超過最高結(jié)溫，器件中的晶體管就可能會(huì)被破壞，器件也隨即失效，所以應(yīng)采取各種途徑降低結(jié)溫或是讓結(jié)溫產(chǎn)生的熱量盡快散發(fā)到環(huán)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(jīng)濟(jì)性又可保證其長期、可靠、安全地運(yùn)行，比如選擇igbt模塊的散熱器為80℃作為設(shè)計(jì)依據(jù)，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(huán)境溫度。
散熱設(shè)計(jì)，取決于igbt模塊所允許的最高結(jié)溫，在該溫度下，必須要做散熱設(shè)計(jì)。為了進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)，首先要計(jì)算出器件產(chǎn)生的損耗，該損耗使結(jié)溫升至允許值以下來選擇散熱片。在進(jìn)行熱設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要保證其在正常工作時(shí)能夠充分散熱，而且還要保證其在發(fā)生短時(shí)過載時(shí)，igbt的結(jié)溫也不超過tjmax。按下列公式可計(jì)算出相關(guān)數(shù)值：
tj=tc+pt×rth(j-c)
其中：rth可以在數(shù)據(jù)手冊中查到，rth(j-c)為標(biāo)定的結(jié)殼熱阻，tj為半導(dǎo)體結(jié)溫，pt為器件的總平均功耗(psw+pss)，tc為模塊的基板溫度。
設(shè)計(jì)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(hù)等級、電流密度等以此來設(shè)計(jì)散熱器的體積、風(fēng)機(jī)的容量及母排尺寸等結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)。當(dāng)然不能忽略其它元器件選型的重要性。
當(dāng)然，受設(shè)備的體積和重量等的限制以及性價(jià)比的考慮，散熱系統(tǒng)也不可能無限制地?cái)U(kuò)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(zhí)行機(jī)構(gòu)在發(fā)生異常時(shí)切斷igbt的輸入，保護(hù)其安全。普傳科技研發(fā)的變頻器具有特有的逆變模塊(igbt)溫升監(jiān)控功能，風(fēng)扇調(diào)節(jié)可控，適時(shí)降低電機(jī)噪音和溫升。
實(shí)踐中，將igbt安裝固定在散熱器上時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng) ：
——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(gè)igbt時(shí)，應(yīng)將其安裝在正中間，以便使得熱阻最小；當(dāng)要安裝多個(gè)igbt時(shí)，應(yīng)根據(jù)每個(gè)igbt的發(fā)熱情況留出相應(yīng)的空間；
(1)使用帶紋路的散熱器時(shí)，應(yīng)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(yīng)≤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(chǎn)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(dǎo)熱硅脂。
4 變頻器的溫升試驗(yàn)
4.1 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表1所示。
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“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量溫度”做出了說明。
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4.2 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，如圖2所示。
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)，如圖3所示。
采用模擬法就是電動(dòng)機(jī)為變頻器的負(fù)載并通過連接軸驅(qū)動(dòng)直流發(fā)電機(jī)，三相交流逆變裝置將直流發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能回饋給電網(wǎng)。通過調(diào)節(jié)直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁改變變頻器負(fù)荷的大小，整個(gè)試驗(yàn)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(zhuǎn)速及低轉(zhuǎn)速的試驗(yàn)，因?yàn)橹绷麟妷哼^低時(shí)會(huì)逆變失敗。另外逆變器為非正弦波時(shí)會(huì)對電網(wǎng)有諧波干擾。對機(jī)組試驗(yàn)設(shè)備有如下要求：電動(dòng)機(jī)與直流發(fā)電機(jī)同軸連接組成發(fā)電機(jī)組；電動(dòng)機(jī)的額定電壓及容量要與變頻器匹配；直流發(fā)電機(jī)的容量不低于電動(dòng)機(jī)容量的110%。
4.2.3 電機(jī)對拖電能回饋法溫升試驗(yàn)
采用電機(jī)對拖交流電能回饋法，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)，線路簡單，能源消耗少，測試數(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)，從而測定溫度值。在測量時(shí)應(yīng)控制測量電流的大小和通電時(shí)間，以免因測量電流引起的發(fā)熱而帶來誤差。每個(gè)檢測元件應(yīng)與被檢測點(diǎn)表面緊密相貼，以有效的防止測溫元件受到冷卻介質(zhì)的影響。
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本方法對于測試電機(jī)溫升也是一個(gè)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(yàn)方法的好處是控制簡單，電能回饋電網(wǎng)節(jié)省能源消耗。圖5為試驗(yàn)臺(tái)。
4.3 試驗(yàn)儀器的選擇
(1)電壓表和電流表：應(yīng)采用可以測量真有效值的表記。對于測量儀表不僅有準(zhǔn)確度要求外，測量變頻器的輸出電壓、電流還必須如實(shí)記錄下基波的有效成分，否則會(huì)給測量帶來很大的誤差，影響溫升及其它參數(shù)測量的準(zhǔn)確性。其表記最好經(jīng)過頻譜分析儀的校核(如1905a)。
(2)遠(yuǎn)紅外測試儀或熱成像儀：可以觀測到的部位可采用遠(yuǎn)紅外測試儀或熱成像儀進(jìn)行溫度測量。將遠(yuǎn)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(jìn)行測試，遠(yuǎn)紅外測試儀要正對測試點(diǎn)，讀取遠(yuǎn)紅外測試儀上顯示的讀數(shù)，減去環(huán)境溫度即為溫升值。
(3)熱電偶：不易觀測到的部位應(yīng)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(yīng)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(chǎn)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(chǎn)生的溫度透過散熱片傳至緊貼其上的負(fù)溫度系數(shù)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(nèi)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(shí)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(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)，測溫元件可以使用溫度計(jì)、熱電偶、熱敏元件、紅外測溫計(jì)或其他有效的方法。溫升應(yīng)盡可能在規(guī)定點(diǎn)測量。如果變流器的額定值不是基于連續(xù)工作制，則應(yīng)測量主電路部件和冷卻系統(tǒng)的熱阻抗。對主電路的半導(dǎo)體器件，應(yīng)測量若干個(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(jìn)行溫度測量，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。
5 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、操作簡單又達(dá)到測試目的的“電機(jī)對拖交流回饋法變頻器溫升試驗(yàn)”值得推廣。
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