1 引言

隨著現代科技的發展，越來越多的行業應用變頻器產品，變頻器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)，總之變頻器用途廣泛，市場巨大。對于用戶首先要掌握如何選擇及正確使用變頻器，以保證其可靠合理的運行。一個良好品質的變頻器都應該通過真正意義上的產品質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變頻器的工藝結構及電氣設計水平、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、環境溫度增加而燒毀變頻器。溫升的上限值過低會帶來變頻器的體積過大、成本增加等不利因素。變頻器的故障率隨溫度升高而成指數上升，使用壽命隨溫度升高而成指數下降。所以應保證變頻器的使用溫度，認真考慮其散熱問題。

2 變頻器的基本原理及發熱部位

圖1 典型的通用變頻器主電路原理圖

圖1中:ur:整流模塊;ui:逆變模塊。

2.1 變頻器的基本原理

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變頻器的主電路，就是將固定不變電壓和頻率的工頻電源轉換為電壓或頻率可變的交流輸出，以調節電動機的速度，整個過程就是整流+逆變。圖2繪出了變頻器輸出電壓波形。

圖2 變頻器輸出電壓波形

2.2 變頻器的發熱機理及主要部位

變頻器的發熱量取決于其效率，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:變頻器的輸出有功功率; p1:變頻器的輸入有功功率。

影響效率的因素很多，如調制方式、模塊、器件的性能、散熱器及風機的大小、結構的合理性等等。當然主要發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。在變頻器工作時，逆變模塊產生的熱量是非常大的，因為它是完成功率變換及輸出的執行器件。變頻器的逆變模塊一般采用igbt模塊，它是電壓型控制，驅動功率可以做小，因此控制電路簡單，另外igbt模塊還具有開關損耗小、容量大等很多優點,實質是個復合功率器件。它是集雙極型功率晶體管和功率mosfet一體化的器件。igbt模塊的芯片比較大額定結溫是150℃，在任何工作條件下，都不允許超過，否則要發生熱擊穿而造成損壞，一般要留余地，在比較惡劣條件下，結溫限定在125℃以下，但芯片內結溫監測有難度，所以變頻器的igbt模塊，都在散熱器表面裝有溫控開關，其值在80~85℃之間。另外igbt的損耗不僅與工作電流大小有關，更重要的是與變頻器的載波頻率密切相關。當pwm信號頻率＞5khz時開關損耗會非常顯著，溫升會明顯增加。igbt的功耗包括穩態功耗和動態功耗，其動態功耗又包括開通功耗和關斷功耗。

(1) igbt的功耗

(2) 每一個igbt開關的損耗

(3) 每一個igbt的總功耗:p_q=p_ss+p_sw

(4) 二極管功耗:

(5) 每一臂的功耗:p_a+p_q+p_d=p_ss+p_sw+p_dc+p_rr

其中:

e_sw(on): 在t=125℃時的峰值電流i_cp下，每個脈沖對應的igbt開通能量;

e_sw(off): 在t=125℃時的峰值電流i_cp下，每個脈沖對應的igbt關斷能量;

f_sw: 變頻器每臂的pwm開關頻率(通常f_sw=f_c);

i_cp: 正弦輸出的電流峰值;

v_ce(sat): 在t=125℃時的峰值電流i_cp下，igbt的飽和電壓;

v_ec: i_ep情況下，續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=cosθ)。

igbt的芯片比較大額定結溫是150℃，在任何工作條件下，都不允許超過，否則要發生熱擊穿而造成損壞，平均結溫的估算: t_j= t_c+p_t×r_th(j-c)

r_th可以在數據手冊中查到;

r_th(j-c)=標定的結殼熱阻;

t_j=半導體結溫;

p_t=器件的總平均功耗(p_sw+p_ss);

t_c=模塊的基板溫度。

3 變頻器溫升設計

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℃作為設計依據，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:比較高允許環境溫度。

還要參照其它各部位溫升允許值以及其它的要求，如變頻器的效率、防護等級、電流密度等以此來設計散熱器的體積、風機的容量及母排尺寸等結構上的設計。當然不能忽略其它元器件選型的重要性。

設計完畢，將所有數據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 使用中導致變頻器溫升升高的幾種因素

(1) 當前變頻器的生產廠家提供的使用手冊、說明書及樣本所提供的使用環境條件，一般試驗都是在裸機狀態下取得的數據。而100kw以下變頻器實際使用應該在變頻器裝置內(裝有變頻器的配電及電控設備)，這就等于改變了變頻器的使用環境條件。如;防護等級、環境溫度、通風等，這些因素造成溫升升高。所以變頻器裝置的使用應做補充溫升試驗。

(2) 變頻器的溫升試驗應以較嚴酷等級試驗為依據，除非與用戶達成某種協議。如開關頻率(pwm、spwm的脈寬調制頻率)，在溫升試驗時應選脈寬調制頻率的上限，不能滿足要求時應考慮降容使用并應在使用手冊中指明。

(3) 風道過濾網堵塞、散熱風扇故障及灰塵等。

(4) 使用環境溫度過高。

5 變頻器的溫升試驗

5.1 試驗依據

《調速電氣傳動系統 第二部分:一般要求