1 引言
隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，越來越多的行業(yè)應(yīng)用產(chǎn)品，不僅用于控制多種類型的電動機，改進以后還可用于逆變電源(EPS)，總之用途廣泛，市場巨大。對于用戶首先要掌握如何選擇及正確使用，以保證其可靠合理的運行。一個良好品質(zhì)的都應(yīng)該通過真正意義上的產(chǎn)品質(zhì)量認證及其完整的試驗(型式試驗)。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的工藝結(jié)構(gòu)及電氣設(shè)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(huán)境溫度增加而燒毀。溫升的上限值過低會帶來的體積過大、成本增加等不利因素。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)保證的使用溫度，認真考慮其散熱問題。
2 的基本原理及發(fā)熱部位
隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，越來越多的行業(yè)應(yīng)用產(chǎn)品，不僅用于控制多種類型的電動機，改進以后還可用于逆變電源(EPS)，總之用途廣泛，市場巨大。對于用戶首先要掌握如何選擇及正確使用，以保證其可靠合理的運行。一個良好品質(zhì)的都應(yīng)該通過真正意義上的產(chǎn)品質(zhì)量認證及其完整的試驗(型式試驗)。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的工藝結(jié)構(gòu)及電氣設(shè)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(huán)境溫度增加而燒毀。溫升的上限值過低會帶來的體積過大、成本增加等不利因素。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)保證的使用溫度，認真考慮其散熱問題。
2 的基本原理及發(fā)熱部位
圖1 典型的通用主電路原理圖
圖1中:UR:整流模塊;UI:逆變模塊。
2.1 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)電動機的速度，整個過程就是整流+逆變。圖2繪出了輸出電壓波形。
圖2 輸出電壓波形
2.2 的發(fā)熱機理及主要部位
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。效率用下式計算:
η= (P0/P1)×100%
其中:P0:的輸出有功功率; P1: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)機的大小、結(jié)構(gòu)的合理性等等。當然主要發(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。在工作時，逆變模塊產(chǎn)生的熱量是非常大的，因為它是完成功率變換及輸出的執(zhí)行器件。的逆變模塊一般采用IGBT模塊，它是電壓型控制，驅(qū)動功率可以做小，因此控制電路簡單，另外IGBT模塊還具有開關(guān)損耗小、容量大等很多優(yōu)點,實質(zhì)是個復(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模塊的芯片最大額定結(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，在最惡劣條件下，結(jié)溫限定在125℃以下，但芯片內(nèi)結(jié)溫監(jiān)測有難度，所以的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)，更重要的是與的載波頻率密切相關(guān)。當PWM信號頻率＞5kHz時開關(guān)損耗會非常顯著，溫升會明顯增加。IGBT的功耗包括穩(wěn)態(tài)功耗和動態(tài)功耗，其動態(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IGBT開關(guān)的損耗
(3) 每一個IGBT的總功耗:PQ=PSS+PSW
(4) 二極管功耗:
(5) 每一臂的功耗:PA+PQ+PD=PSS+PSW+PDC+Prr
其中:
ESW(on): 在T=125℃時的峰值電流ICP下，每個脈沖對應(yīng)的IGBT開通能量;
ESW(off): 在T=125℃時的峰值電流ICP下，每個脈沖對應(yīng)的IGBT關(guān)斷能量;
FSW: 每臂的PWM開關(guān)頻率(通常FSW=FC);
ICP: 正弦輸出的電流峰值;
VCE(SAT): 在T=125℃時的峰值電流ICP下，IGBT的飽和電壓;
VEC: IEP情況下，續(xù)流二極管的正向壓降;
D: PWM信號占空比;
θ: 輸出電壓與電流間的相位角(功率因數(shù)=cosθ)。
IGBT的芯片最大額定結(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: Tj= TC+PT×Rth(j-c)
Rth可以在數(shù)據(jù)手冊中查到;
Rth(j-c)=標定的結(jié)殼熱阻;
Tj=半導(dǎo)體結(jié)溫;
Pt=器件的總平均功耗(PSW+PSS);
TC=模塊的基板溫度。
3 溫升設(shè)計
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)濟性又可保證其長期、可靠、安全地運行，比如選擇IGBT模塊的散熱器為70℃作為設(shè)計依據(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:最高允許環(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，如的效率、防護等級、電流密度等以此來設(shè)計散熱器的體積、風(fēng)機的容量及母排尺寸等結(jié)構(gòu)上的設(shè)計。當然不能忽略其它元器件選型的重要性。
設(shè)計完畢，將所有數(shù)據(jù)送入計算機進行仿真。溫升校核可以通過計算和樣品測試來進行。一般通過樣品試驗進行溫升核算的比較多一些。如果樣品試驗溫升不超過允許溫升，則可以通過。
4 使用中導(dǎo)致溫升升高的幾種因素
(1) 當前的生產(chǎn)廠家提供的使用手冊、說明書及樣本所提供的使用環(huán)境條件，一般試驗都是在裸機狀態(tài)下取得的數(shù)據(jù)。而100kW以下實際使用應(yīng)該在裝置內(nèi)(裝有的配電及電控設(shè)備)，這就等于改變了的使用環(huán)境條件。如;防護等級、環(huán)境溫度、通風(fēng)等，這些因素造成溫升升高。所以裝置的使用應(yīng)做補充溫升試驗。
(2) 的溫升試驗應(yīng)以較嚴酷等級試驗為依據(jù)，除非與用戶達成某種協(xié)議。如開關(guān)頻率(PWM、SPWM的脈寬調(diào)制頻率)，在溫升試驗時應(yīng)選脈寬調(diào)制頻率的上限，不能滿足要求時應(yīng)考慮降容使用并應(yīng)在使用手冊中指明。
(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 的溫升試驗
5.1 試驗依據(jù)
《調(diào)速電氣傳動系統(tǒng) 第二部分:一般要求—低壓交流變頻電氣傳動系統(tǒng)額定值的規(guī)定》GB/T12668.2-2002 7.3.2
5.2 試驗設(shè)備的選擇
采用等效法組成的溫升試驗設(shè)備(采用可調(diào)電阻、可調(diào)電抗器構(gòu)成的模擬負載)由于不宜調(diào)節(jié)，功耗大等缺點則很少采用，如圖3所示。通常采用模擬法(機組試驗設(shè)備)進行溫升及其它試驗，如圖4所示。
圖3 等效法溫升試驗線路圖
圖3中: A1:輸入電流表; A2:輸出電流表; V1:輸入電壓表; V2:輸出電壓表。
圖4 模擬法溫升試驗線路圖a
圖4中: D:電動機; F:直流發(fā)電機; A1:輸入電流表; A2:輸出電流表; A3:直流發(fā)電機輸出電流表;
V1:輸入電壓表; V2:輸出電壓表; V3:直流發(fā)電機輸出電壓表。
采用模擬法就是電動機為的負載并通過連接軸驅(qū)動直流發(fā)電機，三相交流逆變裝置將直流發(fā)電機發(fā)出的電能回饋給電網(wǎng)。通過調(diào)節(jié)直流發(fā)電機的勵磁改變負荷的大小，整個試驗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零轉(zhuǎn)速及低轉(zhuǎn)速的試驗，因為直流電壓過低時會逆變失敗。另外逆變器為非正弦波時會對電網(wǎng)有諧波干擾。對機組試驗設(shè)備有如下要求:電動機與直流發(fā)電機同軸連接組成發(fā)電機組;電動機的額定電壓及容量要與匹配;直流發(fā)電機的容量不低于電動機容量的110%。
5.3 試驗儀器的選擇
(1) V:電壓表，A: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確度要求外，測量的輸出電壓、電流還必須如實記錄下基波的有效成分，否則會給測量帶來很大的誤差，影響溫升及其它參數(shù)測量的準確性。其表記最好經(jīng)過頻譜分析儀的校核(如1905a)。
(2) 可以觀測到的部位可采用遠紅外測試儀進行溫度測量。將遠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行測試，遠紅外測試儀要正對測試點，讀取遠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
各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，溫度/阻值詳見熱敏電阻溫度分度表。
5.4 環(huán)境條件要求
周圍空氣溫度在+10℃~+40℃之間，測量時至少用兩個溫度計，均勻分布在被試電器的周圍，放置在被試電器高度的0.5m處離開被試電器的距離約1m。
5.5 試驗電流的要求
各相電流平均值應(yīng)≥試驗電流值，但L2相電流值不得小于試驗電流值，每相電流與平均電流之差不得大于＋5%。
5.6 溫升測量的要求
進行溫升試驗時，所有的電器像正常工作那樣閉合，控制電路應(yīng)帶電。用于溫升測量的電流至少為0.2級，測量用的電流表至少為0.5級，且測量時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)。
5.7 測量方法
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)。用測量儀器進行溫度測量，試驗時間一般不低于4h，每隔30min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(wěn)定值。
5.8 試驗判定
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(如外殼)的最高溫升，也可以是等效結(jié)溫，由制造廠決定。
6 結(jié)束語
事實證明凡經(jīng)試驗驗證符合標準要求，并通過長時間考核的投運以后，都會有很高的可靠性。所以了解的發(fā)熱原因，并對其進行溫升考核是提高使用壽命的重要前提。
（轉(zhuǎn)載）
