变频器的温升试验方法

　　1  引言 

　　      随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展及电机传动技术的发展和国家节能减排的需要，变频技术产品在国民经济各行业得到很好应用，资料显示，2010年低压变频器行业增长30%以上，规模达到160亿元。一个品质良好的变频器都应该通过产品质量认证及其完整的试验，试验类型包括型式试验（Type test）、出厂试验、抽样试验、选择（专门）试验、验收试验、现场调试试验等。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，环境温度升高10 度，变频器使用寿命减半。所以应保证变频器的使用温度，认真考虑其散热问题。

　　2  变频器的主要发热部位

　　变频器主电路原理如下图表示，一般分为整流部分、滤波部分和逆变部分及控制部分。 

图1典型的通用变频器主电路原理图

.　　2.1 变频器的发热机理及主要部位

　　变频器的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，作为完成功率变换及输出的执行器件的逆变模块产生的热量是非常大的。

　　目前主流变频器的逆变模块一般采用IGBT模块（Insulated Gate Bipolar Transistor(绝缘栅双极型晶体管)， IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件 ，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，因此，可以把其看作是MOS输入的达林顿管。它融和了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动简单和快速的优点，又具有双极型器件容量大的优点，IGBT作为电压型控制器件，具有输人阻抗高、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、通断速度快、工作频率高、功率容量大等优点，因而在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用。一 般情况下流过IGBT的较大，开关频率较高，故而器件的损耗也比较大，如果热量不能及时散掉，使得器件的 结温Tj超过Tjmax， 则IGBT可能损坏。IGBT模块的芯片最大额定结温Tjmax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Tj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。当达到此温度时，即因过热保护动作，从而自动停机，以确保IGBT的安全。也有用热敏电阻进行保护的。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。

　　其他如半导体器件与导体的连接处、母线（排）、浪涌吸收器与主电路的电阻原件等也在变频器工作时产生热量，其温升极限值在国家标准中也做出相应规定。

　　3  变频器的温升试验

　　3.1 试验依据

　　     2002年制定的国家标准GB/T12668.2-2002《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》给出了低压变频器一般额定值规定，在7.3.2 “CDM/BDM的标准试验”中对于温升的“试验方法”按《半导体变流器 基本要求的规定》GB/T3859.1-1993的6.4.6规定执行。在7.4.2.5 “电气传动系统”的专门试验中提到温升试验“在要求的最大负载下，以最低转速、基本转速和最大转速进行温升试验。温升试验进行到所有温度都稳定为止”。

　　在GB/T3859.1-1993的“检验与实验”中6.4.6“温升试验”中给出了具体要求：温升试验的目的在于测定变流器在额定条件下运行时各部件的温升是否超过规定的极限温升。半导体器件的温升极限可以是规定点(例如外壳)的最高温升，也可以是等效结温，由制造厂决定。变流器各部位的极限温升如下表：

　　在送审的《调速电气传动系统第5-1部分：安全要求：电气、热和能量》（GB12668.5.1）标准中，给出了“防触电、热和能量危险的保护”的规定“当按照设备的额定值进行试验时，设备及其组成部分所达到的温度应当不超过表15中给出的温度”。对“橡胶绝缘导线或热塑绝缘导线、用户端子、母线和连接片或接线柱、绝缘系统、电容器、印制线路板”等“内部材料和部件的最大测量温度”作出了说明。

　　3.2 试验方法与设备的选择

　　      试验中根据试验条件可选择不同的试验方法。

　　4.2.1等效法温升试验：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  

　　4.2.2模拟法温升试验：通常采用模拟法(机组试验设备)进行温升及其它试验，

　　         4.2.3电机对拖电能回馈法温升试验：采用电机对拖交流电能回馈法，试验主电路示意图如图4所示。本方法是采用两台同功率的三相异步电机同轴连接。陪试机通过工频启动后，变频器利用速度追踪功能驱动电机跟随陪试机，变频器输出频率略高于工频，陪试机处于发电状态，消耗电能回馈电网。

　　普传科技采用此方法进行的温升试验，线路简单，能源消耗少，测试数据可信。采用埋置检温计法将电阻检温计、热电耦或半导体热敏元件埋植于变频器内部不能触及的部位，如IGBT在散热器的固定处（至少2点）、整流桥在散热器固定处等，经连接导线引到变频器外的二次仪表，通过温度仪表显示读数，从而测定温度值。在测量时应控制测量电流的大小和通电时间，以免因测量电流引起的发热而带来误差。每个检测元件应与被检测点表面紧密相贴，以有效的防止测温元件受到冷却介质的影响。

　　本方法对于测试电机温升也是一个很好的简易有效方法。
图4：电机对拖交流回馈法温升试验

　　用钳式电流表测得变频器输出电流（与变频器键盘显示电流对比），用电压表测试输入电压（与变频器键盘显示电压对比）。本试验方法的好处是控制简单，电能回馈电网节省能源消耗。图5为试验台。
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图5：采用电机对拖交流回馈法的温升试验台

　　3.4 测量方法与结果判定

　　      国家标准GB/T3859.1-1993的“检验与实验”中6.4.6“温升试验”中给出了试验的基本要求：试验应在规定的额定电流和工作制，以及在最不利的冷却条件下进行。对于小型变流器.温升试验应结合负载试验同时进行。对于大型变流器，可与额定电流试验(6.4.3)结合进行，但应注意，如果加上高电压会出现可观的开关损耗时(例如中频感应加热用变流器)，则引起的附加温升应予以考虑。 

　　     试验时，测温元件可以使用温度计、热电偶、热敏元件、红外测温计或其他有效的方法。温升应尽可能在规定点测量。如果变流器的额定值不是基于连续工作制，则应测量主电路部件和冷却系统的热阻抗。对主电路的半导体器件，应测量若干个器件.其中应包括冷却条件最差的器件。记录半导体器件规定部位的温升和计算等效结温，并以此说明在考虑了并联器件的均流情况之后, ，装置能承受规定的负载而不超过规定的最高等效结温。

　　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2h，每隔20min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。

　　环境条件要求：变频器周围空气温度在+10℃~+40℃之间，测量时至少用两个温度计，均匀分布在变频器的周围，放置在被试电器高度的0.5m处离开被试电器的距离约1m。

　　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，由半导体器件厂提供的资料决定。 

　　4  结束语

　　     温升试验作为考核变频器软件控制损耗和结构优化具有重要作用，事实证明凡经试验验证符合标准要求，并通过长时间考核的变频器投运以后，都会有很高的可靠性。根据变频器的发热原因，并对其进行温升考核是提高变频器使用寿命的重要前提。在试验方法上节省能源、费用少、操作简单又达到测试目的的“电机对拖交流回馈法变频器温升试验”值得推广。

　　参考文献：1) ’Times New Roman’; mso-hansi-font-family: Helvetica">低压变频器中的温升及其试验方法 ’Times New Roman’; mso-hansi-font-family: Helvetica">天津电气传动设计研究所  ’Times New Roman’; mso-hansi-font-family: Helvetica">刘霞  ’Times New Roman’; mso-hansi-font-family: Helvetica">徐和平

　　2<变频器世界> 2006.4 2) GB/T3859.1-1993 《半导体变流器 基本要求的规定》