摘要高壓變頻器的溫升主要是由于逆變部分IGCT產(chǎn)生的熱量，通過模擬法和負(fù)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(yàn)方法和結(jié)果的判定。

關(guān)鍵詞 IGCT 模擬法 負(fù)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(yàn)依據(jù)

1）GB/T12668.2-2002《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》規(guī)定了低壓變頻器的一般額定值；在7.3.2“cdm/bdm的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)”中對于溫升的“試驗(yàn)方法”要求按《半導(dǎo)體變頻器基本要求的規(guī)定》GB/T859.1-1993的6.4.6規(guī)定執(zhí)行。

2）在7.4.2.5“電氣傳動系統(tǒng)”的專項(xiàng)試驗(yàn)中提到溫升試驗(yàn)：“在要求的最大負(fù)載下，以最低轉(zhuǎn)速、基本轉(zhuǎn)速和最大轉(zhuǎn)速進(jìn)行溫升試驗(yàn)。溫升試驗(yàn)進(jìn)行到所有發(fā)熱部位的溫度都穩(wěn)定為止”。

3）在GB/T3859.1-1993“檢驗(yàn)與試驗(yàn)”中6.4.6“溫升試驗(yàn)”中給出了具體要求：溫升試驗(yàn)的目的在于測定變頻器在額定條件下運(yùn)行時各部件的溫升是否超過規(guī)定的極限溫升；對半導(dǎo)體器件的溫升極限可以是規(guī)定點(diǎn)（例如外殼）的最高溫升，也可以是等效結(jié)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(xiǎn)的保護(hù)”的規(guī)定：“當(dāng)按照設(shè)備的額定值進(jìn)行試驗(yàn)時，設(shè)備及其組成部分所達(dá)到的溫度應(yīng)當(dāng)不超過表1中給出的溫度”。對“橡膠絕緣導(dǎo)線或熱塑絕緣導(dǎo)線、輸出端子、母線和連接片或接線柱、絕緣系統(tǒng)、電容器、印制線路板”等“內(nèi)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(guī)定：“在要求的最大負(fù)載下，以最低轉(zhuǎn)速、基本轉(zhuǎn)速和最大轉(zhuǎn)速進(jìn)行溫升試驗(yàn)。溫升試驗(yàn)進(jìn)行到所有溫度都穩(wěn)定為止。“

1.2變頻器的溫升試驗(yàn)

變頻器的履行試驗(yàn)有很多項(xiàng)，但主要的試驗(yàn)是溫升和傳動性能考核。在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展、然經(jīng)濟(jì)出現(xiàn)疲軟的今天，本公司從企業(yè)實(shí)際情況和經(jīng)濟(jì)實(shí)用性出發(fā)，在滿足標(biāo)準(zhǔn)要求、不降低產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，配建產(chǎn)品出廠檢驗(yàn)裝置及儀器儀表，下面作一簡介：

1.2.1變頻器的主要發(fā)熱部位及原因

變頻器依據(jù)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(jù)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，可分為高—低—高式、器件串聯(lián)兩電平式、三電平式、五電平式及功率單元串聯(lián)多電平式等幾種。交-直-交電壓源型高壓變頻器的結(jié)構(gòu)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(fā)熱機(jī)理及主要發(fā)熱部位

1）變頻器的主要發(fā)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(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。通常選擇二極管、可控硅、IGBT，并根據(jù)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(zhí)行器件IGBT，逆變模塊產(chǎn)生的熱量是非常大的，特別是1000A以上的大電流模塊IGBT，發(fā)熱量更大。

2）3.3KV發(fā)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(dǎo)體器件。它由IGBT與GTO兩種功率器件集成，是利用集成柵極結(jié)構(gòu)進(jìn)行柵極硬驅(qū)動和緩沖層結(jié)構(gòu)及陽極透明發(fā)射極技術(shù)的新型大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件，具有晶閘管的通態(tài)特性及晶體管的開關(guān)特性。由于采用了緩沖結(jié)構(gòu)以及淺層發(fā)射極技術(shù)，因而使動態(tài)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(tài)特性的續(xù)流二極管，實(shí)現(xiàn)了晶閘管的低通態(tài)壓降、高阻斷電壓與晶體管穩(wěn)定的開關(guān)特性有機(jī)結(jié)合。因此，IGCT不僅具有IGBT(絕緣門極雙極性晶體管)的高開關(guān)頻率特性，同時也具有可關(guān)斷晶閘管GTO的高阻斷電壓和低導(dǎo)通損失率特性，繼承并超越了IGBT和GTO各自的技術(shù)，是3.3KV高壓變頻器的核心器件。

3）其他部位和器件發(fā)熱

在半導(dǎo)體器件與導(dǎo)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(chǎn)生熱量，其溫升極限值在國家標(biāo)準(zhǔn)中也有相應(yīng)規(guī)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(nèi)，改變了變頻器的使用環(huán)境條件，造成溫升升高；

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

3）電解電容在承受電壓時也發(fā)熱，一般穩(wěn)定溫度都在70度左右，質(zhì)量稍差點(diǎn)的穩(wěn)定溫度可達(dá)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(yàn)方法與設(shè)備的選擇

試驗(yàn)中根據(jù)試驗(yàn)條件可選擇不同的試驗(yàn)方法。

1）模擬法溫升試驗(yàn)

通常采用模擬法（機(jī)組試驗(yàn)設(shè)備）進(jìn)行溫升及其它試驗(yàn)，如圖3所示。

圖2模擬法溫升試驗(yàn)線路圖

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

在模擬法溫升試驗(yàn)中電動機(jī)是變頻器的負(fù)載并通過連接軸驅(qū)動直流發(fā)電機(jī)。三相交流逆變裝置將直流發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能回饋電網(wǎng)。通過調(diào)節(jié)直流發(fā)電機(jī)的勵磁改變變頻器負(fù)荷的大小，整個試驗(yàn)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(zhuǎn)速及低轉(zhuǎn)速的試驗(yàn)，因?yàn)橹绷麟妷哼^低時會逆變失?。涣硗饽孀兤鳛榉钦也〞r，會對電網(wǎng)有諧波干擾，故對機(jī)組試驗(yàn)設(shè)備有如下要求：

（1）電動機(jī)與直流發(fā)電機(jī)同軸連接組成發(fā)電機(jī)組；

（2）電動機(jī)的額定電壓及容量必須與變頻器容量匹配；

（3）直流發(fā)電機(jī)的容量不低于電動機(jī)容量的110%。

2）負(fù)載電抗器法溫升試驗(yàn)

采用電抗器做變頻器負(fù)載，電抗器的作用是為試驗(yàn)負(fù)載提供功率因數(shù)為0.8或以下的無功電流，以其達(dá)到國標(biāo)測試標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)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(dá)到額定輸出電流。

圖3負(fù)載電抗器法溫升試驗(yàn)

采用此方法進(jìn)行的溫升試驗(yàn)，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(shù)據(jù)可信。采用埋置檢溫計(jì)法將電阻檢溫計(jì)、熱電耦或半導(dǎo)體熱敏元件埋植于變頻器內(nèi)部不能觸及的部位，如IGCT在散熱器的固定處（至少2點(diǎn)）、整流橋在散熱器固定處等，經(jīng)連接導(dǎo)線引到變頻器外的二次儀表，通過溫度儀表顯示讀數(shù)，從而測定溫度值。在測量時應(yīng)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(fā)熱而帶來誤差。每個檢測元件應(yīng)與被檢測點(diǎn)表面緊密相貼，以有效防止測溫元件受到冷卻介質(zhì)的影響。

1.3傳動性能試驗(yàn)

1.3.1傳動方式選擇

傳統(tǒng)傳動性能考核，主要通過加載試驗(yàn)，其目的是考核變頻器的輸出電壓、輸出電流及輸出轉(zhuǎn)矩。傳動的加載試驗(yàn)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(zhuǎn)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(fù)載進(jìn)行加載試驗(yàn)，是目前采用的方法（詳見圖4、圖5）。圖4系統(tǒng)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(jī)，其中減速機(jī)由拖動逆變器帶動電機(jī)拖動；拖動電動機(jī)運(yùn)行頻率可在0~50Hz間調(diào)節(jié)，帶動負(fù)載電機(jī)以相同的速度運(yùn)行。另一臺逆變器拖動負(fù)載電動機(jī)為發(fā)電狀態(tài)，并將電能通過負(fù)載逆變器回饋至直流部分，給拖動逆變器供電，形成環(huán)流，給拖動逆變器的供電作一補(bǔ)充。這種方式比阻尼器方式節(jié)電，維護(hù)也方便。

1)整流+雙逆變加載方案示意圖（圖4）

圖4加載試驗(yàn)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(yàn)臺示意圖

圖5加載方案主要由變壓器、開關(guān)柜、變頻器和電機(jī)幾部分組成。該方案采用1臺比電機(jī)功率大1.1～1.5倍的四象限變頻器，整機(jī)拖動1臺電機(jī)作發(fā)電回饋用，負(fù)載變頻器拖動1臺負(fù)載電動機(jī)。系統(tǒng)設(shè)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(wǎng)，故穩(wěn)定性比圖4方案強(qiáng)。

經(jīng)過對多種加載方式的研究探討，并根據(jù)目前技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，采用四象限變頻器加載方式是最優(yōu)化的。這種加載方式的過程是：四象限變頻器拖動負(fù)載電機(jī)，給負(fù)載電動機(jī)轉(zhuǎn)矩但不輸出轉(zhuǎn)速；當(dāng)變頻器拖動負(fù)載電機(jī)時，調(diào)整轉(zhuǎn)矩量的大小即調(diào)試負(fù)載的大小，其系統(tǒng)最大的加載量由負(fù)載電動機(jī)的功率與變頻器的功率決定；加載量可調(diào)，不會受到加載功率或加載量不可調(diào)的影響，而且四象限變頻器可以將負(fù)載電動機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的電能回饋至電網(wǎng)。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(huán)流，減少電能的損耗，而且變頻器維護(hù)量小。但穩(wěn)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(yàn)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(wǎng)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(yàn)

因受電網(wǎng)容量限制，為解決傳動試驗(yàn)問題，我公司對3.3KV高壓變頻器的傳動試驗(yàn)分兩步進(jìn)行，即：第一步按GB/T3859.1中6.4.6進(jìn)行；采用前述“負(fù)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(jī)作為負(fù)載，回饋通過低壓1140V或660V回饋電網(wǎng)，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(zhuǎn)矩尚未達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩。但作為出廠檢驗(yàn)基本滿足，GB3859.1中6.4.4規(guī)定：“對于大型設(shè)備，由于經(jīng)濟(jì)上的原因，若產(chǎn)品質(zhì)量能夠保證，可以不進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)，須由供需雙方商定。”

2、試驗(yàn)儀器的選擇

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

2）遠(yuǎn)紅外測試儀或熱成像儀：能觀測到的部位可采用遠(yuǎn)紅外測試儀或熱成像儀進(jìn)行溫度測量。將遠(yuǎn)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(jìn)行測試，遠(yuǎn)紅外測試儀要正對測試點(diǎn)，讀取遠(yuǎn)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(chǎn)生的溫度透過散熱片傳至緊貼其上的負(fù)溫度系數(shù)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(jié)果判定

1）GB/T859.1-1993的“檢驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)”中6.4.6“溫升試驗(yàn)”中給出了試驗(yàn)的基本要求：試驗(yàn)應(yīng)在規(guī)定的額定電流和工作制，以及在最不利的冷卻條件下進(jìn)行。對于小型變流器。溫升試驗(yàn)應(yīng)結(jié)合負(fù)載試驗(yàn)同時進(jìn)行。對于大型變流器，可與額定電流試驗(yàn)（6.4.3）結(jié)合進(jìn)行，但應(yīng)注意，如果加上高電壓會出現(xiàn)可觀的開關(guān)損耗時（例如中頻感應(yīng)加熱用變流器），則引起的附加溫升應(yīng)予以考慮。

2）試驗(yàn)時，測溫元件可以使用溫度計(jì)、熱電偶、熱敏元件、紅外測溫計(jì)或其他有效的方法。溫升應(yīng)盡可能在規(guī)定點(diǎn)測量。如果變流器的額定值不是基于連續(xù)工作制，則應(yīng)測量主電路部件和冷卻系統(tǒng)的熱阻抗。對主電路的半導(dǎo)體器件，應(yīng)測量若干個器件。其中應(yīng)包括冷卻條件最差的器件。記錄半導(dǎo)體器件規(guī)定部位的溫升和計(jì)算等效結(jié)溫，并以此說明在考慮了并聯(lián)器件的均流情況之后，裝置能承受規(guī)定的負(fù)載而不超過規(guī)定的最高等效結(jié)溫。

3）變頻器處于規(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、igct、整流橋、直流母線等。用測量儀器進(jìn)行溫度測量，試驗(yàn)時間一般不低于2h，每隔30min做一次試驗(yàn)溫升值記錄，如果溫度的變化速率小于1℃/h，則認(rèn)為溫升已達(dá)穩(wěn)定值。

4）環(huán)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(jì)，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(yàn)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、IGCT的溫升極限可以是規(guī)定點(diǎn)（如外殼）的最高溫升，也可以是等效結(jié)溫，由半導(dǎo)體器件廠提供的資料決定。

4、結(jié)束語

4.1溫升試驗(yàn)作為考核變頻器性能損耗及結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要作用。事實(shí)證明，凡經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證符合標(biāo)準(zhǔn)要求，并通過長時間考核的變頻器投運(yùn)以后，都會有很高的可靠性。

4.2根據(jù)變頻器的發(fā)熱原因，并對其進(jìn)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(wǎng)容量受限的企業(yè)，建議溫升和傳動性能檢驗(yàn)分步進(jìn)行，也是節(jié)能、又省錢的好方法之一。