1 引言
隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，越來(lái)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(dòng)機(jī)，改進(jìn)以后還可用于逆變電源(EPS)，總之用途廣泛，市場(chǎng)巨大。對(duì)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(yùn)行。一個(gè)良好品質(zhì)的都應(yīng)該通過(guò)真正意義上的產(chǎn)品質(zhì)量認(rèn)證及其完整的試驗(yàn)(型式試驗(yàn))。溫升試驗(yàn)是型式試驗(yàn)里的很重要的一項(xiàng)試驗(yàn)，其溫升值可間接反映出的工藝結(jié)構(gòu)及電氣設(shè)計(jì)水平、多種缺陷及故障隱患等。溫升的上限值過(guò)高會(huì)造成因過(guò)載、過(guò)流、環(huán)境溫度增加而燒毀。溫升的上限值過(guò)低會(huì)帶來(lái)的體積過(guò)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(rèn)真考慮其散熱問(wèn)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(lái)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(dòng)機(jī)，改進(jìn)以后還可用于逆變電源(EPS)，總之用途廣泛，市場(chǎng)巨大。對(duì)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(yùn)行。一個(gè)良好品質(zhì)的都應(yīng)該通過(guò)真正意義上的產(chǎn)品質(zhì)量認(rèn)證及其完整的試驗(yàn)(型式試驗(yàn))。溫升試驗(yàn)是型式試驗(yàn)里的很重要的一項(xiàng)試驗(yàn)，其溫升值可間接反映出的工藝結(jié)構(gòu)及電氣設(shè)計(jì)水平、多種缺陷及故障隱患等。溫升的上限值過(guò)高會(huì)造成因過(guò)載、過(guò)流、環(huán)境溫度增加而燒毀。溫升的上限值過(guò)低會(huì)帶來(lái)的體積過(guò)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(rèn)真考慮其散熱問(wèn)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(dòng)機(jī)的速度，整個(gè)過(guò)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(jī)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(jì)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(jī)的大小、結(jié)構(gòu)的合理性等等。當(dāng)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(duì)整流模塊的開(kāi)關(guān)頻率沒(méi)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(shí)，逆變模塊產(chǎn)生的熱量是非常大的，因?yàn)樗峭瓿晒β首儞Q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(dòng)功率可以做小，因此控制電路簡(jiǎn)單，另外IGBT模塊還具有開(kāi)關(guān)損耗小、容量大等很多優(yōu)點(diǎn),實(shí)質(zhì)是個(gè)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(guò)，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(cè)有難度，所以的IGBT模塊，都在散熱器表面裝有溫控開(kāi)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(dāng)PWM信號(hào)頻率＞5kHz時(shí)開(kāi)關(guān)損耗會(huì)非常顯著，溫升會(huì)明顯增加。IGBT的功耗包括穩(wěn)態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗，其動(dòng)態(tài)功耗又包括開(kāi)通功耗和關(guān)斷功耗。
(1) IGBT的功耗
(2) 每一個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)的損耗
(3) 每一個(gè)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(shí)的峰值電流ICP下，每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的IGBT開(kāi)通能量;
ESW(off): 在T=125℃時(shí)的峰值電流ICP下，每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的IGBT關(guān)斷能量;
FSW: 每臂的PWM開(kāi)關(guān)頻率(通常FSW=FC);
ICP: 正弦輸出的電流峰值;
VCE(SAT): 在T=125℃時(shí)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(hào)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(guò)，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(cè)中查到;
Rth(j-c)=標(biāo)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(jì)
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(jì)性又可保證其長(zhǎng)期、可靠、安全地運(yùn)行，比如選擇IGBT模塊的散熱器為70℃作為設(shè)計(jì)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(hù)等級(jí)、電流密度等以此來(lái)設(shè)計(jì)散熱器的體積、風(fēng)機(jī)的容量及母排尺寸等結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)。當(dāng)然不能忽略其它元器件選型的重要性。
設(shè)計(jì)完畢，將所有數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真。溫升校核可以通過(guò)計(jì)算和樣品測(cè)試來(lái)進(jìn)行。一般通過(guò)樣品試驗(yàn)進(jìn)行溫升核算的比較多一些。如果樣品試驗(yàn)溫升不超過(guò)允許溫升，則可以通過(guò)。
4 使用中導(dǎo)致溫升升高的幾種因素
(1) 當(dāng)前的生產(chǎn)廠家提供的使用手冊(cè)、說(shuō)明書(shū)及樣本所提供的使用環(huán)境條件，一般試驗(yàn)都是在裸機(jī)狀態(tài)下取得的數(shù)據(jù)。而100kW以下實(shí)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(hù)等級(jí)、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(bǔ)充溫升試驗(yàn)。
(2) 的溫升試驗(yàn)應(yīng)以較嚴(yán)酷等級(jí)試驗(yàn)為依據(jù)，除非與用戶達(dá)成某種協(xié)議。如開(kāi)關(guān)頻率(PWM、SPWM的脈寬調(diào)制頻率)，在溫升試驗(yàn)時(shí)應(yīng)選脈寬調(diào)制頻率的上限，不能滿足要求時(shí)應(yīng)考慮降容使用并應(yīng)在使用手冊(cè)中指明。
(3) 風(fēng)道過(guò)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(guò)高。
5 的溫升試驗(yàn)
5.1 試驗(yàn)依據(jù)
《調(diào)速電氣傳動(dòng)系統(tǒng) 第二部分:一般要求—低壓交流變頻電氣傳動(dòng)系統(tǒng)額定值的規(guī)定》GB/T12668.2-2002 7.3.2
5.2 試驗(yàn)設(shè)備的選擇
采用等效法組成的溫升試驗(yàn)設(shè)備(采用可調(diào)電阻、可調(diào)電抗器構(gòu)成的模擬負(fù)載)由于不宜調(diào)節(jié)，功耗大等缺點(diǎn)則很少采用，如圖3所示。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4所示。
圖3 等效法溫升試驗(yàn)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(yàn)線路圖a
圖4中: D:電動(dòng)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。
采用模擬法就是電動(dòng)機(jī)為的負(fù)載并通過(guò)連接軸驅(qū)動(dòng)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)出的電能回饋給電網(wǎng)。通過(guò)調(diào)節(jié)直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁改變負(fù)荷的大小，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程操作簡(jiǎn)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(yàn)，因?yàn)橹绷麟妷哼^(guò)低時(shí)會(huì)逆變失敗。另外逆變器為非正弦波時(shí)會(huì)對(duì)電網(wǎng)有諧波干擾。對(duì)機(jī)組試驗(yàn)設(shè)備有如下要求:電動(dòng)機(jī)與直流發(fā)電機(jī)同軸連接組成發(fā)電機(jī)組;電動(dòng)機(jī)的額定電壓及容量要與匹配;直流發(fā)電機(jī)的容量不低于電動(dòng)機(jī)容量的110%。
5.3 試驗(yàn)儀器的選擇
(1) V:電壓表，A:電流表應(yīng)采用可以測(cè)量真有效值的表記。對(duì)于測(cè)量?jī)x表不僅有準(zhǔn)確度要求外，測(cè)量的輸出電壓、電流還必須如實(shí)記錄下基波的有效成分，否則會(huì)給測(cè)量帶來(lái)很大的誤差，影響溫升及其它參數(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確性。其表記最好經(jīng)過(guò)頻譜分析儀的校核(如1905a)。
(2) 可以觀測(cè)到的部位可采用遠(yuǎn)紅外測(cè)試儀進(jìn)行溫度測(cè)量。將遠(yuǎn)紅外測(cè)試儀按照說(shuō)明書(shū)上的距離要求對(duì)需要測(cè)試的部位進(jìn)行測(cè)試，遠(yuǎn)紅外測(cè)試儀要正對(duì)測(cè)試點(diǎn)，讀取遠(yuǎn)紅外測(cè)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(cè)到的部位應(yīng)采用熱電偶測(cè)量，將熱電偶粘貼在要測(cè)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(cè)量需要與熱電偶電隔離)，將熱電偶兩端產(chǎn)生的熱電勢(shì)通過(guò)直流電壓表讀取，對(duì)照熱電勢(shì)和溫升的分度表寫(xiě)出溫升值。
(4) 熱敏電阻
各部位溫升的測(cè)試也可用熱敏電阻。例如IGBT產(chǎn)生的溫度透過(guò)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IGBT的溫度變化，溫度/阻值詳見(jiàn)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(cè)量時(shí)至少用兩個(gè)溫度計(jì)，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(kāi)被試電器的距離約1m。
5.5 試驗(yàn)電流的要求
各相電流平均值應(yīng)≥試驗(yàn)電流值，但L2相電流值不得小于試驗(yàn)電流值，每相電流與平均電流之差不得大于＋5%。
5.6 溫升測(cè)量的要求
進(jìn)行溫升試驗(yàn)時(shí)，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(cè)量的電流至少為0.2級(jí)，測(cè)量用的電流表至少為0.5級(jí)，且測(cè)量時(shí)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(cè)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(cè)試其主要部件溫升。(如散熱器、IGBT、整流橋、直流母線等)。用測(cè)量?jī)x器進(jìn)行溫度測(cè)量，試驗(yàn)時(shí)間一般不低于4h，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。
5.8 試驗(yàn)判定
其測(cè)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(diǎn)(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(yǔ)
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(guò)長(zhǎng)時(shí)間考核的投運(yùn)以后，都會(huì)有很高的可靠性。所以了解的發(fā)熱原因，并對(duì)其進(jìn)行溫升考核是提高使用壽命的重要前提。
（轉(zhuǎn)載）
