1 引言

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，越來越多的行業(yè)應(yīng)用變頻器產(chǎn)品，變頻器不僅用于控制多種類型的電動(dòng)機(jī)，改進(jìn)以后還可用于逆變電源(eps)，總之變頻器用途廣泛，市場(chǎng)巨大。對(duì)于用戶首先要掌握如何選擇及正確使用變頻器，以保證其可靠合理的運(yùn)行。一個(gè)良好品質(zhì)的變頻器都應(yīng)該通過真正意義上的產(chǎn)品質(zhì)量認(rèn)證及其完整的試驗(yàn)(型式試驗(yàn))。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。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 變頻器的基本原理及發(fā)熱部位

圖1 典型的通用變頻器主電路原理圖

圖1中:ur:整流模塊;ui:逆變模塊。

2.1 變頻器的基本原理

通用型一般采用ac-dc-ac變換方式，圖1繪出了一種典型的通用變頻器的主電路，就是將固定不變電壓和頻率的工頻電源轉(zhuǎn)換為電壓或頻率可變的交流輸出，以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的速度，整個(gè)過程就是整流+逆變。圖2繪出了變頻器輸出電壓波形。

圖2 變頻器輸出電壓波形

2.2 變頻器的發(fā)熱機(jī)理及主要部位

變頻器的發(fā)熱量取決于其效率，提高效率是降低溫升的有效途徑。效率用下式計(jì)算:

η= (p0/p1)×100%

其中:p0:變頻器的輸出有功功率; p1:變頻器的輸入有功功率。

影響效率的因素很多，如調(diào)制方式、模塊、器件的性能、散熱器及風(fēng)機(jī)的大小、結(jié)構(gòu)的合理性等等。當(dāng)然主要發(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)，逆變模塊產(chǎn)生的熱量是非常大的，因?yàn)樗峭瓿晒β首儞Q及輸出的執(zhí)行器件。變頻器的逆變模塊一般采用igbt模塊，它是電壓型控制，驅(qū)動(dòng)功率可以做小，因此控制電路簡(jiǎn)單，另外igbt模塊還具有開關(guān)損耗小、容量大等很多優(yōu)點(diǎn),實(shí)質(zhì)是個(gè)復(fù)合功率器件。它是集雙極型功率晶體管和功率mosfet一體化的器件。igbt模塊的芯片比較大額定結(jié)溫是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，在比較惡劣條件下，結(jié)溫限定在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。另外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。

(1) igbt的功耗

(2) 每一個(gè)igbt開關(guān)的損耗

(3) 每一個(gè)igbt的總功耗:p_q=p_ss+p_sw

(4) 二極管功耗:

(5) 每一臂的功耗:p_a+p_q+p_d=p_ss+p_sw+p_dc+p_rr

其中:

e_sw(on): 在t=125℃時(shí)的峰值電流i_cp下，每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的igbt開通能量;

e_sw(off): 在t=125℃時(shí)的峰值電流i_cp下，每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的igbt關(guān)斷能量;

f_sw: 變頻器每臂的pwm開關(guān)頻率(通常f_sw=f_c);

i_cp: 正弦輸出的電流峰值;

v_ce(sat): 在t=125℃時(shí)的峰值電流i_cp下，igbt的飽和電壓;

v_ec: i_ep情況下，續(xù)流二極管的正向壓降;

d: pwm信號(hào)占空比;

θ: 輸出電壓與電流間的相位角(功率因數(shù)=cosθ)。

igbt的芯片比較大額定結(jié)溫是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，平均結(jié)溫的估算: t_j= t_c+p_t×r_th(j-c)

r_th可以在數(shù)據(jù)手冊(cè)中查到;

r_th(j-c)=標(biāo)定的結(jié)殼熱阻;

t_j=半導(dǎo)體結(jié)溫;

p_t=器件的總平均功耗(p_sw+p_ss);

t_c=模塊的基板溫度。

3 變頻器溫升設(shè)計(jì)

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(zhǎng)期、可靠、安全地運(yùn)行，比如選擇igbt模塊的散熱器為70℃作為設(shè)計(jì)依據(jù)，那么溫升值為:

k1= 70℃-k0=70℃-40℃=30℃

其中:k1:igbt模塊的散熱器溫升值; k0:比較高允許環(huán)境溫度。

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(jí)、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。

設(shè)計(jì)完畢，將所有數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真。溫升校核可以通過計(jì)算和樣品測(cè)試來進(jìn)行。一般通過樣品試驗(yàn)進(jìn)行溫升核算的比較多一些。如果樣品試驗(yàn)溫升不超過允許溫升，則可以通過。

4 使用中導(dǎo)致變頻器溫升升高的幾種因素

(1) 當(dāng)前變頻器的生產(chǎn)廠家提供的使用手冊(cè)、說明書及樣本所提供的使用環(huán)境條件，一般試驗(yàn)都是在裸機(jī)狀態(tài)下取得的數(shù)據(jù)。而100kw以下變頻器實(shí)際使用應(yīng)該在變頻器裝置內(nèi)(裝有變頻器的配電及電控設(shè)備)，這就等于改變了變頻器的使用環(huán)境條件。如;防護(hù)等級(jí)、環(huán)境溫度、通風(fēng)等，這些因素造成溫升升高。所以變頻器裝置的使用應(yīng)做補(bǔ)充溫升試驗(yàn)。

(2) 變頻器的溫升試驗(yàn)應(yīng)以較嚴(yán)酷等級(jí)試驗(yàn)為依據(jù)，除非與用戶達(dá)成某種協(xié)議。如開關(guān)頻率(pwm、spwm的脈寬調(diào)制頻率)，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(cè)中指明。

(3) 風(fēng)道過濾網(wǎng)堵塞、散熱風(fēng)扇故障及灰塵等。

(4) 使用環(huán)境溫度過高。

5 變頻器的溫升試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)依據(jù)

《調(diào)速電氣傳動(dòng)系統(tǒng) 第二部分:一般要求