摘要高壓變頻器的溫升主要是由于逆變部分IGCT產生的熱量，通過模擬法和負載電抗器法檢測高壓變頻器的溫升，以及兩種方法的比較。高壓變頻器的性能檢驗方法和結果的判定。

關鍵詞 IGCT 模擬法 負載 電抗器法 性能

AbstractThetemperatureriseofhighvoltagefrequencyconverterismainlyduetotheheatgeneratedbytheinverterIGCT,Detectthetemperratuerriseofhighvoltagebysimulationmethodandloadreactance,andthecomparisonoftwomethod.Thetestmethodofhighvoltagefrequencyconverterfunctionandtheresultsofdetermination.

KeywordsIGCTsimulationmethodloadreactancefunction

1、變頻器的溫升與傳動性能考核

1.1試驗依據

1）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》規定了低壓變頻器的一般額定值；在7.3.2“cdm/bdm的標準試驗”中對于溫升的“試驗方法”要求按《半導體變頻器基本要求的規定》GB/T859.1-1993的6.4.6規定執行。

2）在7.4.2.5“電氣傳動系統”的專項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發熱部位的溫度都穩定為止”。

3）在GB/T3859.1-1993“檢驗與試驗”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頻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；對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。

變頻器各部位的極限溫升如表1所示。

表1變頻器各部位的極限溫升

4）在GB12668.5中第4條給出了“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1中給出的溫度”。對“橡膠絕緣導線或熱塑絕緣導線、輸出端子、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”做出了說明。

5）GB/T12668.2中7.4.2.5規定：“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。“

1.2變頻器的溫升試驗

變頻器的履行試驗有很多項，但主要的試驗是溫升和傳動性能考核。在科學技術高速發展、然經濟出現疲軟的今天，本公司從企業實際情況和經濟實用性出發，在滿足標準要求、不降低產品質量的前提下，配建產品出廠檢驗裝置及儀器儀表，下面作一簡介：

1.2.1變頻器的主要發熱部位及原因

變頻器依據其變換方式可以分為直接變換式（交—交）和間接變換式（交—直—交）兩類。其中，間接變換的高壓變頻器，根據中間直流的處理方式不同，還可以分為電流源型和電壓源型兩類。而交—直—交電壓源型高壓變頻器又依照其拓撲結構不同，可分為高—低—高式、器件串聯兩電平式、三電平式、五電平式及功率單元串聯多電平式等幾種。交-直-交電壓源型高壓變頻器的結構通常由：整流單

AC～元、直流部分、逆變單元、控制單元和EMC綜合裝置組成。

變頻器主電路原理圖如圖1所示。

1.2.2變頻器的發熱機理及主要發熱部位

1）變頻器的主要發熱部位是整流及逆變部位

整流一般采用三相橋式整流電路。由于在工頻工作，故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。通常選擇二極管、可控硅、IGBT，并根據需要組合成整流橋。在變頻器工作時，作為完成功率變換及輸出的執行器件IGBT，逆變模塊產生的熱量是非常大的，特別是1000A以上的大電流模塊IGBT，發熱量更大。

2）3.3KV發熱的主要器件

3.3KV高壓變頻器采用的功率器件是門極換流型晶閘管IGCT(IntergratedGateCommutatedThyristors),它是1996年問世的，是大型電力電子成套裝置中的新型電力半導體器件。它由IGBT與GTO兩種功率器件集成，是利用集成柵極結構進行柵極硬驅動和緩沖層結構及陽極透明發射極技術的新型大功率半導體開關器件，具有晶閘管的通態特性及晶體管的開關特性。由于采用了緩沖結構以及淺層發射極技術，因而使動態損耗降低約50％；同時，此類器件還在每個芯片上集成了具有良好動態特性的續流二極管，實現了晶閘管的低通態壓降、高阻斷電壓與晶體管穩定的開關特性有機結合。因此，IGCT不僅具有IGBT(絕緣門極雙極性晶體管)的高開關頻率特性，同時也具有可關斷晶閘管GTO的高阻斷電壓和低導通損失率特性，繼承并超越了IGBT和GTO各自的技術，是3.3KV高壓變頻器的核心器件。

3）其他部位和器件發熱

在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元件等，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有相應規定。

1.2.3變頻器溫升的幾種因素

1）變頻器安裝在隔爆外殼內，改變了變頻器的使用環境條件，造成溫升升高；

2）開關頻率使IGCT的發熱集中在開和關的瞬間，因此開關頻率高時自然變頻器的發熱量變大了；

3）電解電容在承受電壓時也發熱，一般穩定溫度都在70度左右，質量稍差點的穩定溫度可達100度左右，若選擇薄膜電容，則溫升可降三分之一。

1.2.4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。

1）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，如圖3所示。

圖2模擬法溫升試驗線路圖

圖注：D：電動機；F：直流發電機；A1：輸入電流表；A2：輸出電流表；A3：直流發電機輸出電流表；V1：輸入電壓表；V2：輸出電壓表；V3：直流發電機輸出電壓表。

在模擬法溫升試驗中電動機是變頻器的負載并通過連接軸驅動直流發電機。三相交流逆變裝置將直流發電機發出的電能回饋電網。通過調節直流發電機的勵磁改變變頻器負荷的大小，整個試驗過程操作簡單、使用方便，損耗的能量很小。但這種方法不適合矢量變頻器零轉速及低轉速的試驗，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，會對電網有諧波干擾，故對機組試驗設備有如下要求：

（1）電動機與直流發電機同軸連接組成發電機組；

（2）電動機的額定電壓及容量必須與變頻器容量匹配；

（3）直流發電機的容量不低于電動機容量的110%。

2）負載電抗器法溫升試驗

采用電抗器做變頻器負載，電抗器的作用是為試驗負載提供功率因數為0.8或以下的無功電流，以其達到國標測試標準。試驗主電路示意圖如圖3所示。該方法是采用短接變頻器輸出電抗器，給定變頻器的勵磁輸出，使變頻器達到額定輸出電流。

圖3負載電抗器法溫升試驗

采用此方法進行的溫升試驗，與模擬法比較，線路簡單，能源消耗少，控制簡單，電流平滑，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IGCT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，以有效防止測溫元件受到冷卻介質的影響。

1.3傳動性能試驗

1.3.1傳動方式選擇

傳統傳動性能考核，主要通過加載試驗，其目的是考核變頻器的輸出電壓、輸出電流及輸出轉矩。傳動的加載試驗方法有很多種，常見的有阻尼器，這種加載方法耗電量大，電能都轉換為熱能消耗掉，同時阻尼器使用時間長容易損壞，此法屬于老式的加載方式。自變頻器問世后，用變頻器作為負載進行加載試驗，是目前采用的方法（詳見圖4、圖5）。圖4系統由一個整流單元、2個逆變單元組成。而兩個逆變器分別拖動1臺電機，其中減速機由拖動逆變器帶動電機拖動；拖動電動機運行頻率可在0~50Hz間調節，帶動負載電機以相同的速度運行。另一臺逆變器拖動負載電動機為發電狀態，并將電能通過負載逆變器回饋至直流部分，給拖動逆變器供電，形成環流，給拖動逆變器的供電作一補充。這種方式比阻尼器方式節電，維護也方便。

1)整流+雙逆變加載方案示意圖（圖4）

圖4加載試驗臺示意圖

2）四象限變頻器加載方案示意圖（圖5）

圖5加載試驗臺示意圖

圖5加載方案主要由變壓器、開關柜、變頻器和電機幾部分組成。該方案采用1臺比電機功率大1.1～1.5倍的四象限變頻器，整機拖動1臺電機作發電回饋用，負載變頻器拖動1臺負載電動機。系統設備投資與圖4方案差不多。但因回饋能量是通過變壓器回饋到電網，故穩定性比圖4方案強。

經過對多種加載方式的研究探討，并根據目前技術發展狀況，采用四象限變頻器加載方式是最優化的。這種加載方式的過程是：四象限變頻器拖動負載電機，給負載電動機轉矩但不輸出轉速；當變頻器拖動負載電機時，調整轉矩量的大小即調試負載的大小，其系統最大的加載量由負載電動機的功率與變頻器的功率決定；加載量可調，不會受到加載功率或加載量不可調的影響，而且四象限變頻器可以將負載電動機處于發電狀態產生的電能回饋至電網。圖4方案回饋逆變器將回饋能量至直流部分，可同時給拖動逆變器供電形成環流，減少電能的損耗，而且變頻器維護量小。但穩定性差，適用范圍也受限。因此，選用四象限變頻器作為加載試驗室方案是最佳方案。此法還可同時考核溫升。但此法要求電網有足夠的容量，初期投資較大。

3）兩個方案比較

1.3.2分步解決的傳動試驗

因受電網容量限制，為解決傳動試驗問題，我公司對3.3KV高壓變頻器的傳動試驗分兩步進行，即：第一步按GB/T3859.1中6.4.6進行；采用前述“負載電抗器法”考核溫升，同時與6.4.3配合，考核逆變輸出電流；第二步變頻器拖動一臺3.3KV、200KW小容量的電機作為負載，回饋通過低壓1140V或660V回饋電網，以考核整流是否正常工作和逆變輸出電壓。此法簡單省錢，唯一欠缺的是輸出轉矩尚未達到額定轉矩。但作為出廠檢驗基本滿足，GB3859.1中6.4.4規定：“對于大型設備，由于經濟上的原因，若產品質量能夠保證，可以不進行負載試驗，須由供需雙方商定。”

2、試驗儀器的選擇

1）電壓表和電流表：應采用可以測量具有效值的表記。對于測量儀表不僅有準確度要求外，測量變頻器的輸出電壓、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測量的準確性。其表記最好經過頻譜分析儀的校核（如1905A）。

2）遠紅外測試儀或熱成像儀：能觀測到的部位可采用遠紅外測試儀或熱成像儀進行溫度測量。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，減去環境溫度即為溫升值。

3）熱敏電阻：變頻器主要部位溫升的測試也可用熱敏電阻。例如IGCT產生的溫度透過散熱片傳至緊貼其上的負溫度系數熱敏電阻，該電阻阻值的變化間接反映了IGCT的溫度變化，國外性能好的變頻器一般具有IGCT溫度值顯示功能。

4）溫度顯示儀表。

5）用于溫升測量的電流互感器至少為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）。

3、測量方法與結果判定

1）GB/T859.1-1993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。

2）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。

3）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、igct、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，則認為溫升已達穩定值。

4）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。

5）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、IGCT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

4.1溫升試驗作為考核變頻器性能損耗及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。

4.2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。

4.3對于電網容量受限的企業，建議溫升和傳動性能檢驗分步進行，也是節能、又省錢的好方法之一。