变频器的温升及其试验方法探讨

1 引言
   　　随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用、控制技术的发展、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（typetest）、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及成因
   　　变频器主电路原理图如图1所示，一般分为整流部分、滤波部分和逆变部分及控制部分。
   
   　　2.1变频器的发热机理及主要发热部位
   　　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，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 bipolartransistor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，具有输入阻抗高、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电流较大，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着，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。
   　　2.2 在使用中导致变频器温升升高的几种因素
   　　（1）大多变频器实际使用都装在变频控制柜装置内，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。
   　　（2）开关频率：igbt 的发热有集中在开和关的瞬间。因此开关频率高时自然变频器的发热量就变大了。
   　　（3）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。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。
   　　（4）风道过滤网堵塞、散热风扇故障及灰尘等。
   　　（5）使用环境温度过高。
   3 变频器温升设计要点
   　　温度上升对igbt参数有很大的影响，严重时导致失效甚至损坏。温度上升包含两个意思：一是igbt中的电磁场能量转化为热能，主要由于器件中的电阻热效应；一是器件发热与外部冷却之间的相互作用，发生的热量如果不能及时散发出去，即散发能力不够，则使温度上升。如果器件工作温度超过最高结温，器件中的晶体管就可能会被破坏，器件也随即失效，所以应采取各种途径降低结温或是让结温产生的热量尽快散发到环境中。
   　　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80℃作为设计依据，那么温升值为：
   　　k1= 80℃-k0=80℃-40℃=40℃
   　　其中：k1为igbt模块的散热器温升值；k0为最高允许环境温度。
   　　散热设计，取决于igbt模块所允许的最高结温，在该温度下，必须要做散热设计。为了进行散热设计，首先要计算出器件产生的损耗，该损耗使结温升至允许值以下来选择散热片。在进行热设计时，不仅要保证其在正常工作时能够充分散热，而且还要保证其在发生短时过载时，igbt的结温也不超过tjmax。按下列公式可计算出相关数值：
   　　tj=tc+pt×rth（j-c）
   　　其中：rth可以在数据手册中查到，rth（j-c）为标定的结壳热阻，tj为半导体结温，pt为器件的总平均功耗（psw+pss），tc为模块的基板温度。
   　　设计中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。
   　　当然，受设备的体积和重量等的限制以及性价比的考虑，散热系统也不可能无限制地扩大。可在靠近igbt处加装温度继电器、热敏电阻等，检测igbt的工作温度。控制执行机构在发生异常时切断igbt的输入，保护其安全。普传科技研发的变频器具有特有的逆变模块（igbt）温升监控功能，风扇调节可控，适时降低电机噪音和温升。
   　　实践中，将igbt安装固定在散热器上时应注意以下事项 ：
   　　--由于热阻随igbt安装位置的不同而不同，因此，若在散热器上仅安装一个igbt时，应将其安装在正中间，以便使得热阻最小；当要安装多个igbt时，应根据每个igbt的发热情况留出相应的空间；
   　　（1） 使用带纹路的散热器时，应将igbt较宽的方向顺着散热器的纹路，以减少散热器的变形；
   　　（2）散热器的安装表面光洁度应≤10μm，如果散热器的表面不平，将大大增加散热器与器件的接触热阻，甚至在igbt的管芯和管壳之间的衬底上产生很大的张力，损坏igbt的绝缘层；
   　　（3） 为了减少接触热阻，最好在散热器与igbt模块间涂抹导热硅脂。
   
   1 引言
   　　随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用、控制技术的发展、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（typetest）、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及成因
   　　变频器主电路原理图如图1所示，一般分为整流部分、滤波部分和逆变部分及控制部分。
   
   　　2.1变频器的发热机理及主要发热部位
   　　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，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 bipolartransistor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，具有输入阻抗高、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电流较大，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着，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。
   　　2.2 在使用中导致变频器温升升高的几种因素
   　　（1）大多变频器实际使用都装在变频控制柜装置内，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。
   　　（2）开关频率：igbt 的发热有集中在开和关的瞬间。因此开关频率高时自然变频器的发热量就变大了。
   　　（3）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。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。
   　　（4）风道过滤网堵塞、散热风扇故障及灰尘等。
   　　（5）使用环境温度过高。
   3 变频器温升设计要点
   　　温度上升对igbt参数有很大的影响，严重时导致失效甚至损坏。温度上升包含两个意思：一是igbt中的电磁场能量转化为热能，主要由于器件中的电阻热效应；一是器件发热与外部冷却之间的相互作用，发生的热量如果不能及时散发出去，即散发能力不够，则使温度上升。如果器件工作温度超过最高结温，器件中的晶体管就可能会被破坏，器件也随即失效，所以应采取各种途径降低结温或是让结温产生的热量尽快散发到环境中。
   　　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80℃作为设计依据，那么温升值为：
   　　k1= 80℃-k0=80℃-40℃=40℃
   　　其中：k1为igbt模块的散热器温升值；k0为最高允许环境温度。
   　　散热设计，取决于igbt模块所允许的最高结温，在该温度下，必须要做散热设计。为了进行散热设计，首先要计算出器件产生的损耗，该损耗使结温升至允许值以下来选择散热片。在进行热设计时，不仅要保证其在正常工作时能够充分散热，而且还要保证其在发生短时过载时，igbt的结温也不超过tjmax。按下列公式可计算出相关数值：
   　　tj=tc+pt×rth（j-c）
   　　其中：rth可以在数据手册中查到，rth（j-c）为标定的结壳热阻，tj为半导体结温，pt为器件的总平均功耗（psw+pss），tc为模块的基板温度。
   　　设计中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。
   　　当然，受设备的体积和重量等的限制以及性价比的考虑，散热系统也不可能无限制地扩大。可在靠近igbt处加装温度继电器、热敏电阻等，检测igbt的工作温度。控制执行机构在发生异常时切断igbt的输入，保护其安全。普传科技研发的变频器具有特有的逆变模块（igbt）温升监控功能，风扇调节可控，适时降低电机噪音和温升。
   　　实践中，将igbt安装固定在散热器上时应注意以下事项 ：
   　　--由于热阻随igbt安装位置的不同而不同，因此，若在散热器上仅安装一个igbt时，应将其安装在正中间，以便使得热阻最小；当要安装多个igbt时，应根据每个igbt的发热情况留出相应的空间；
   　　（1） 使用带纹路的散热器时，应将igbt较宽的方向顺着散热器的纹路，以减少散热器的变形；
   　　（2）散热器的安装表面光洁度应≤10μm，如果散热器的表面不平，将大大增加散热器与器件的接触热阻，甚至在igbt的管芯和管壳之间的衬底上产生很大的张力，损坏igbt的绝缘层；
   　　（3） 为了减少接触热阻，最好在散热器与igbt模块间涂抹导热硅脂。
   
   4 变频器的温升试验
   　　4.1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表1所示。
   
   　　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”做出了说明。
   　　4.2 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，如图2所示。
   
   　　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，如图3所示。
   
   　　图注：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%。
   
   　　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。
   　　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。
   
   　　4.3试验仪器的选择
   　　（1）电压表和电流表：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）远红外测试仪或热成像仪：可以观测到的部位可采用远红外测试仪或热成像仪进行温度测量。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：变频器主要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，国内性能好的变频器一般具有igbt温度值显示功能。
   　　（5）温度显示仪表。
   　　（6）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）。
   　　4.4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。
   5 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。