低压变频器中的温升及其试验方法

文章摘要：1 引言 随着现代科技的发展，越来越多的行业应用变频器产品，变频器不仅用于控制多种类型的电动机，改进以后还可用于逆变电源(EPS)，总之变频器用途广泛，市场巨大。对于用户首先要掌握如何选择及正确使用变频器，以保证其可靠合理的运行。一个良好品质的变频器都应该通过真正意义上的产品质量认证及其完整的试验(型式试验)。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，

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1  引言  
    随着现代科技的发展，越来越多的行业应用变频器产品，变频器不仅用于控制多种类型的电动机，改进以后还可用于逆变电源(EPS)，总之变频器用途广泛，市场巨大。对于用户首先要掌握如何选择及正确使用变频器，以保证其可靠合理的运行。一个良好品质的变频器都应该通过真正意义上的产品质量认证及其完整的试验(型式试验)。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。所以应保证变频器的使用温度，认真考虑其散热问题。

2  变频器的基本原理及发热部位

图1  典型的通用变频器主电路原理图


图1中:UR:整流模块;UI:逆变模块。

2.1 变频器的基本原理
    通用型一般采用AC-DC-AC变换方式，图1绘出了一种典型的通用变频器的主电路，就是将固定不变电压和频率的工频电源转换为电压或频率可变的交流输出，以调节电动机的速度，整个过程就是整流+逆变。图2绘出了变频器输出电压波形。

图2  变频器输出电压波形


2.2 变频器的发热机理及主要部位
    变频器的发热量取决于其效率，提高效率是降低温升的有效途径。效率用下式计算:
      η= (P0/P1)×100%
    其中:P0:变频器的输出有功功率;  P1:变频器的输入有功功率。
    影响效率的因素很多，如调制方式、模块、器件的性能、散热器及风机的大小、结构的合理性等等。当然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，逆变模块产生的热量是非常大的，因为它是完成功率变换及输出的执行器件。变频器的逆变模块一般采用IGBT模块，它是电压型控制，驱动功率可以做小，因此控制电路简单，另外IGBT模块还具有开关损耗小、容量大等很多优点,实质是个复合功率器件。它是集双极型功率晶体管和功率MOSFET一体化的器件。IGBT模块的芯片最大额定结温是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。另外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。
    (1) IGBT的功耗 
    (2) 每一个IGBT开关的损耗 
    (3) 每一个IGBT的总功耗:PQ=PSS+PSW
　 (4) 二极管功耗: 
    (5) 每一臂的功耗:PA+PQ+PD=PSS+PSW+PDC+Prr
    其中:
    ESW(on): 在T=125℃时的峰值电流ICP下，每个脉冲对应的IGBT开通能量; 
    ESW(off): 在T=125℃时的峰值电流ICP下，每个脉冲对应的IGBT关断能量; 

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