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變頻器的溫升試驗方法
1 引言
隨著新型電力電子器件和高性能微處理器的應用以及控制技術的發展及電機傳動技術的發展和國家節能減排的需要，變頻技術產品在國民經濟各行業得到很好應用，資料顯示，2010年低壓變頻器行業增長30%以上，規模達到160億元。一個品質良好的變頻器都應該通過產品質量認證及其完整的試驗，試驗類型包括型式試驗（Type test）、出廠試驗、抽樣試驗、選擇（專門）試驗、驗收試驗、現場調試試驗等。溫升試驗是型式試驗里的很重要的一項試驗，其溫升值可間接反映出變頻器的工藝結構及電氣設計水平、多種缺陷及故障隱患等。溫升的上限值過高會造成因過載、過流、環境溫度增加而燒毀變頻器。溫升的上限值過低會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上升，使用壽命隨溫度升高而成指數下降，環境溫度升高10 度，變頻器使用壽命減半。所以應保證變頻器的使用溫度，認真考慮其散熱問題。
2 變頻器的主要發熱部位
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 變頻器的發熱機理及主要部位
變頻器的主要發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，作為完成功率變換及輸出的執行器件的逆變模塊產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輸入的達林頓管。它融和了這兩種器件的優點，既具有MOSFET器件驅動簡單和快速的優點，又具有雙極型器件容量大的優點，IGBT作為電壓型控制器件，具有輸人阻抗高、驅動功率小、控制電路簡單、開關損耗小、通斷速度快、工作頻率高、功率容量大等優點，因而在現代電力電子技術中得到了越來越廣泛的應用。一 般情況下流過IGBT的較大，開關頻率較高，故而器件的損耗也比較大，如果熱量不能及時散掉，使得器件的 結溫Tj超過Tjmax， 則IGBT可能損壞。IGBT模塊的芯片最大額定結溫Tjmax是150℃，在任何工作條件下，都不允許超過，否則要發生熱擊穿而造成損壞，一般要留余地，在最惡劣條件下，結溫Tj限定在125℃以下，但芯片內結溫監測有難度，所以變頻器的IGBT模塊，都在散熱器表面裝有溫控開關，其值在80~85℃之間。當達到此溫度時，即因過熱保護動作，從而自動停機，以確保IGBT的安全。也有用熱敏電阻進行保護的。IGBT的損耗不僅與工作電流大小有關，更重要的是與變頻器的載波頻率密切相關。當PWM信號頻率＞5kHz時開關損耗會非常顯著，溫升會明顯增加。IGBT的功耗包括穩態功耗和動態功耗，其動態功耗又包括開通功耗和關斷功耗。
其他如半導體器件與導體的連接處、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產生熱量，其溫升極限值在國家標準中也做出相應規定。
3 變頻器的溫升試驗
3.1 試驗依據
2002年制定的國家標準GB/T12668.2-2002《調速電氣傳動系統 第二部分:一般要求—低壓交流變頻電氣傳動系統額定值的規定》給出了低壓變頻器一般額定值規定，在7.3.2 “CDM/BDM的標準試驗”中對于溫升的“試驗方法”按《半導體變流器 基本要求的規定》GB/T3859.1-1993的6.4.6規定執行。在7.4.2.5 “電氣傳動系統”的專門試驗中提到溫升試驗“在要求的最大負載下，以最低轉速、基本轉速和最大轉速進行溫升試驗。溫升試驗進行到所有溫度都穩定為止”。
在GB/T3859.1-1993的“檢驗與實驗”中6.4.6“溫升試驗”中給出了具體要求：溫升試驗的目的在于測定變流器在額定條件下運行時各部件的溫升是否超過規定的極限溫升。半導體器件的溫升極限可以是規定點(例如外殼)的最高溫升，也可以是等效結溫，由制造廠決定。變流器各部位的極限溫升如下表： 
在送審的《調速電氣傳動系統第5-1部分：安全要求：電氣、熱和能量》（GB12668.5.1）標準中，給出了“防觸電、熱和能量危險的保護”的規定“當按照設備的額定值進行試驗時，設備及其組成部分所達到的溫度應當不超過表15中給出的溫度”。對“橡膠絕緣導線或熱塑絕緣導線、用戶端子、母線和連接片或接線柱、絕緣系統、電容器、印制線路板”等“內部材料和部件的最大測量溫度”作出了說明。
3.2 試驗方法與設備的選擇
試驗中根據試驗條件可選擇不同的試驗方法。
4.2.1等效法溫升試驗：采用可調電阻、可調電抗器構成的模擬負載，由于不宜調節，功耗大等缺點則很少采用
4.2.2模擬法溫升試驗：通常采用模擬法(機組試驗設備)進行溫升及其它試驗，
4.2.3電機對拖電能回饋法溫升試驗：采用電機對拖交流電能回饋法，試驗主電路示意圖如圖4所示。本方法是采用兩臺同功率的三相異步電機同軸連接。陪試機通過工頻啟動后，變頻器利用速度追蹤功能驅動電機跟隨陪試機，變頻器輸出頻率略高于工頻，陪試機處于發電狀態，消耗電能回饋電網。
普傳科技采用此方法進行的溫升試驗，線路簡單，能源消耗少，測試數據可信。采用埋置檢溫計法將電阻檢溫計、熱電耦或半導體熱敏元件埋植于變頻器內部不能觸及的部位，如IGBT在散熱器的固定處（至少2點）、整流橋在散熱器固定處等，經連接導線引到變頻器外的二次儀表，通過溫度儀表顯示讀數，從而測定溫度值。在測量時應控制測量電流的大小和通電時間，以免因測量電流引起的發熱而帶來誤差。每個檢測元件應與被檢測點表面緊密相貼，以有效的防止測溫元件受到冷卻介質的影響。
本方法對于測試電機溫升也是一個很好的簡易有效方法。
圖4：電機對拖交流回饋法溫升試驗
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）。本試驗方法的好處是控制簡單，電能回饋電網節省能源消耗。圖5為試驗臺。
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圖5：采用電機對拖交流回饋法的溫升試驗臺
3.4 測量方法與結果判定
國家標準GB/T3859.1-1993的“檢驗與實驗”中6.4.6“溫升試驗”中給出了試驗的基本要求：試驗應在規定的額定電流和工作制，以及在最不利的冷卻條件下進行。對于小型變流器.溫升試驗應結合負載試驗同時進行。對于大型變流器，可與額定電流試驗(6.4.3)結合進行，但應注意，如果加上高電壓會出現可觀的開關損耗時(例如中頻感應加熱用變流器)，則引起的附加溫升應予以考慮。
試驗時，測溫元件可以使用溫度計、熱電偶、熱敏元件、紅外測溫計或其他有效的方法。溫升應盡可能在規定點測量。如果變流器的額定值不是基于連續工作制，則應測量主電路部件和冷卻系統的熱阻抗。對主電路的半導體器件，應測量若干個器件.其中應包括冷卻條件最差的器件。記錄半導體器件規定部位的溫升和計算等效結溫，并以此說明在考慮了并聯器件的均流情況之后, ，裝置能承受規定的負載而不超過規定的最高等效結溫。
變頻器處于規定的通風和散熱條件下，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)。用測量儀器進行溫度測量，試驗時間一般不低于2h，每隔20min做一次試驗溫升值記錄，如果溫度的變化速率小于1℃/h,則認為溫升已達穩定值。
環境條件要求：變頻器周圍空氣溫度在+10℃~+40℃之間，測量時至少用兩個溫度計，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。
試驗判定：其測試結果應符合附表的要求及生產廠提供的技術數據。整流橋、IGBT的溫升極限可以是規定點(如外殼)的最高溫升，也可以是等效結溫，由半導體器件廠提供的資料決定。
4 結束語
溫升試驗作為考核變頻器軟件控制損耗和結構優化具有重要作用，事實證明凡經試驗驗證符合標準要求，并通過長時間考核的變頻器投運以后，都會有很高的可靠性。根據變頻器的發熱原因，并對其進行溫升考核是提高變頻器使用壽命的重要前提。在試驗方法上節省能源、費用少、操作簡單又達到測試目的的“電機對拖交流回饋法變頻器溫升試驗”值得推廣。
參考文獻：1) ’Times New Roman’; mso-hansi-font-family: Helvetica">低壓變頻器中的溫升及其試驗方法 ’Times New Roman’; mso-hansi-font-family: Helvetica">天津電氣傳動設計研究所 ’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 《半導體變流器 基本要求的規定》
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