李方園（1973-）
男，浙江舟山人，畢業(yè)于浙江大學(xué)電氣自動化專業(yè)，高級工程師，長期從事于變頻器等現(xiàn)代工控產(chǎn)品的應(yīng)用與研究工作。


摘要：變頻器在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生一定的功耗，并通過自然散熱、對流散熱、液冷散熱三種方式將運(yùn)行溫度確保在40℃。本文將主要探討變頻器過熱故障形成的原因及其處理辦法，并以“收卷變頻器過載”案例闡述了過熱故障排除的步驟，同時對變頻柜安裝方式提出了比較實(shí)用的建議。

關(guān)鍵詞：變頻器；過熱故障；對流散熱；液冷方式

Abstract: AC inverter produces a certain degree of power consumption and heat 
dissipation. During this process, natural cooling, convection cooling and liquid cooling
 ensure the inverter’s operating temperature to be under 40℃. This paper analyzes the 
causes of inverters overheat and its solution . Finally the example of “reeling inverter
 overheat” is explained, and remedy steps are carried out, including suggestions of the 
AC inverter cabinet installation.

Key words: AC inverter; Overload fault; Convection Heating-sinking; Liquid-cooling method

1 前言

    變頻器作為一種變流器在運(yùn)行過程中要產(chǎn)生一定的功耗。由于使用器件不同，控制方式不同，不同品牌，不同規(guī)格的變頻器所產(chǎn)生的功耗也不盡相同。資料表明變頻器的功耗一般為其容量的4~5%。其中逆變部分約占50%，整流及直流回路約40%，控制及保護(hù)電路為5~15%。10℃法則表明當(dāng)器件溫度降低10℃，器件的可靠性增長一倍。可見如何處理變頻器的散熱，降低溫升，提高器件的可靠性，從而延長設(shè)備的使用壽命是多么重要。

    本文將主要探討變頻器過熱故障形成的原因及其處理辦法。

2 變頻器散熱的結(jié)構(gòu)分析

    從目前變頻器的構(gòu)造分析，散熱一般可分為以下三種：自然散熱、對流散熱、液冷散熱。

    （1）自然散熱

    對于小容量的變頻器一般選用自然散熱方式（如圖1a），其使用環(huán)境應(yīng)通風(fēng)良好，無易附著粉塵及飄浮物。此類變頻器的拖動對象多為家用空調(diào)、數(shù)控機(jī)床之類，功率很小，使用環(huán)境比較優(yōu)良。

    另外一種使用自然散熱方式的變頻器容量并不一定小，那就是防爆變頻器。對于此類變頻器小容量可以選用一般類型的散熱器即可，要求散熱面積在允許的范圍內(nèi)盡可能的大一些，散熱肋片間距小一些，盡可能的增加熱輻射面積。對于大容量的防爆變頻器，如使用自然散熱方式建議使用熱管散熱器。熱管散熱器是近年來新興的一種散熱器，它是熱管技術(shù)與散熱器技術(shù)結(jié)合的一種產(chǎn)品，它的散熱效率極高，可以將防爆變頻器的容量做的比較大，可達(dá)幾百kVA。這種散熱器相對普通散熱器，所不同之處就是體積相對大，成本高。這種散熱方式與水冷散熱相比較還是有優(yōu)勢的：水冷要用水冷器件，水冷散熱器以及必不可少的水循環(huán)系統(tǒng)等等，其成本比使用熱管散熱器散熱高。業(yè)界反映熱管散熱器性能好，值得推廣。

    自然散熱的另外一種方式就是“穿墻式”自然散熱，這種散熱方式最多減少80％的熱量，其特點(diǎn)是變頻器的主體與散熱片通過電控箱完全隔離，大大提高了變頻器元器件的散熱效果。如圖1b所示。這種散熱方式最大的好處就是可以做到定時清理散熱器，且能保證電控箱的防護(hù)等級做得更高。象常見的棉紡企業(yè)由于棉絮過多，經(jīng)常容易堵塞變頻器的通風(fēng)道，導(dǎo)致變頻器的過熱故障，用穿墻式自然散熱就能很好得解決這一問題。

                          a)普通散熱                     b)穿墻式散熱

                                  圖1   自然散熱方式

    （2）對流散熱

    對流散熱是普遍采用的一種散熱方式，如圖2所示。隨著半導(dǎo)體器件的發(fā)展，半導(dǎo)體器件散熱器也得到了飛速的發(fā)展，趨向標(biāo)準(zhǔn)化，系列化，通用化；而新產(chǎn)品則向低熱阻，多功能，體積小，重量輕，適用于自動化生產(chǎn)與安裝等方向發(fā)展。世界幾大散熱器生產(chǎn)商，產(chǎn)品多達(dá)上千個系列，并全部經(jīng)過測試，提供了使用功率與散熱器熱阻曲線，為用戶準(zhǔn)確選用提供了方便。同時散熱風(fēng)機(jī)的發(fā)展也相當(dāng)快，呈現(xiàn)出體積小，長受命，低噪聲，低功耗，大風(fēng)量，高防護(hù)的特點(diǎn)。如常用的小功率變頻器散熱風(fēng)機(jī)只有25mm×25mm×10mm；日本SANYO長壽命風(fēng)機(jī)可達(dá)200000h，防護(hù)等級可達(dá)IPX5；更有德國ebm大風(fēng)量軸流風(fēng)機(jī)，排風(fēng)量高達(dá)5700m3/h。這些因素為設(shè)計(jì)者提供了非常廣闊的選擇空間。

    對流散熱正是由于使用的器件(風(fēng)機(jī)、散熱器)選擇比較容易，成本不是太高,變頻器的容量可以做到從幾十到幾百kVA，甚至更高(采取單元并聯(lián)方式)才被廣為采用。

                                      圖2   對流散熱方式

    （3）液冷散熱

    水冷是工業(yè)液冷方式中較常用的一種方式，如圖3所示。針對變頻器這種設(shè)備選用該方式散熱的很少，因?yàn)樗某杀靖撸迷谛∪萘孔冾l器時體積大，再由于通用變頻器的容量在幾kVA到近百kVA，容量不是很大，很難將性價比做到讓用戶接受的程度，只有在特殊場合（如需要防爆）以及容量特別大的變頻器才采用這種方式。

    水冷變頻器在歐洲已有近十年的歷史，廣泛應(yīng)用于輪船、機(jī)車等高功率且空間有限的場合。相對于傳統(tǒng)的風(fēng)冷變頻器，水冷變頻器更有效地解決了散熱問題，從而使高功率變頻器的體積大大縮小，性能更加穩(wěn)定。體積的減小意味著節(jié)省了設(shè)備安裝空間，從而有效地解決了很多特殊場合對變頻器體積的要求。如芬蘭VACON公司的400kW水冷變頻器，其體積僅為同等級的風(fēng)冷變頻器的五分之一。

                                     圖3   水冷散熱方式

    資料表明，散熱器表面經(jīng)電泳涂漆發(fā)黑或陽極氧化發(fā)黑后，其散熱量在自然冷卻情況下可提高10~15%，在強(qiáng)迫風(fēng)冷情況下可提高20~30%，電泳涂漆后表面耐壓可達(dá)500~800V。所以在選擇散熱器及制定加工工藝時，對散熱器進(jìn)行上述工藝處理會大大提高本身的散熱能力，還可以增強(qiáng)絕緣性，降低了因安裝不當(dāng)造成的爬電距離過小，電氣間隙不夠等帶來的不利影響。

    散熱效果優(yōu)劣與安裝工藝有密切關(guān)系，安裝時應(yīng)盡量增大功率模塊與散熱器的接觸面積降低熱阻，提高傳熱效果。在功率器件與散熱器之間涂一層薄薄的導(dǎo)熱硅脂可以降低熱阻25~30%。如需要在功率器件與散熱器之間加絕緣或加墊塊來方便安裝，建議使用低熱阻材料：薄云母，聚酯薄膜或紫銅塊，鋁塊。合理安排器件在散熱器上的位置，單件安裝時應(yīng)使器件位于散熱器基面中心位置，多件安裝時應(yīng)均勻分布。緊固器件時需保證扭力一致。安裝完畢后不宜對器件及散熱器再進(jìn)行機(jī)械加工，否則會產(chǎn)生應(yīng)力，增加熱阻。單面肋片式散熱器，適于在設(shè)備外部作自然風(fēng)冷，即利于功率器件的通風(fēng)又可降低機(jī)內(nèi)溫度。自然風(fēng)冷時，應(yīng)使散熱器的斷面平行于水平面的方向；強(qiáng)迫風(fēng)冷時，應(yīng)使氣流的流向平行于散熱器的肋片方向。

    無論采用哪種散熱方式，都應(yīng)根據(jù)變頻器的容量，確定它的功耗，選擇適當(dāng)?shù)娘L(fēng)機(jī)，以及適當(dāng)?shù)纳崞鳎_(dá)到優(yōu)良的性價比，同時也應(yīng)將變頻器所使用的環(huán)境因素充分考慮到。針對環(huán)境比較惡劣(高溫，高濕，煤礦，油田，海上平臺)的情況，必須采取相應(yīng)的措施，確保變頻器正常可靠的運(yùn)行。從變頻器本身，應(yīng)盡可能的避免不利因素的影響，例如針對灰塵、風(fēng)沙的影響可以進(jìn)行密封處理，只有散熱器風(fēng)道與外界空氣接觸，避免了對變頻器內(nèi)部的影響；針對鹽霧，潮濕等可以對變頻器各部件進(jìn)行絕緣噴涂處理；野外作業(yè)用變頻器要加防護(hù)，做到防雨、防曬、防霧、防塵；對于高溫高濕環(huán)境可以增加空調(diào)等設(shè)備進(jìn)行降溫除濕，給變頻器一個良好的環(huán)境，確保變頻器可靠運(yùn)行。

3 變頻器過熱的處理方法

    對于變頻器過熱故障，一般的處理方法有兩種：

    （1）采用風(fēng)扇散熱
 
    變頻器內(nèi)裝風(fēng)扇可將變頻器箱體內(nèi)的熱量帶走。

    （2）降低運(yùn)行環(huán)境溫度

    變頻器是電力電子裝置，內(nèi)含電子元件、電解電容等，所以溫度對其壽命影響較大。通用變頻器的環(huán)境運(yùn)行溫度一般要求-10℃～+50℃，如果能降低變頻器運(yùn)行溫度，就延長了變頻器的使用壽命，性能也穩(wěn)定。 

    在具體問題處理過程中，不同的變頻器過熱故障應(yīng)該按照自身的代碼進(jìn)行逐步定位，如艾默生變頻器EV/TD系列的過熱故障代碼顯示E011（IPM散熱器過熱）、E012（整流橋散熱器過熱），其故障定位如圖4所示。

                                   圖4   艾默生過熱故障定位

4 案例分析：收卷變頻器過熱

    （1）故障現(xiàn)象

    某電池廠使用2臺ABB變頻器ACS800-01-0025-3來控制鋅板收卷傳動（圖5所示），由于收卷涉及到快速制動，需要使用制動電阻來吸收過壓能量。在運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)，變頻器經(jīng)常報(bào)故障FF83“FAN OVERTEMP”，提示變頻器過熱。檢查環(huán)境溫度也正常，同時也將變頻柜全敞開，使用排風(fēng)機(jī)進(jìn)行對吹，發(fā)現(xiàn)其中一臺變頻器報(bào)故障次數(shù)少了許多，但另外一臺變頻器還是不停地報(bào)過熱故障。

                                    圖5   變頻收卷控制示意

    （2）分析處理

    檢查變頻柜的設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)有嚴(yán)重問題，圖6所示為原來變頻器放置圖。變頻器1的熱風(fēng)加上制動電阻1的熱量一起進(jìn)入變頻器2的進(jìn)風(fēng)通道，導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過＋40℃，從而導(dǎo)致變頻過熱故障。

                                      圖6   變頻器放置結(jié)構(gòu)

    安裝隔板，重新放置制動電阻。

                                 圖7   重新設(shè)置擋板和制動電阻位置

    兩臺變頻器上下安裝時，必須安裝導(dǎo)流擋板（如圖7所示），以避免下面的變頻器排出的熱風(fēng)進(jìn)入上面變頻器的散熱風(fēng)道。同時，由于制動電阻能產(chǎn)生大量的熱量，必須把它安置在變頻柜外的安全位置。

    （3）案例歸納

    在變頻器的散熱方式中，自然散熱和對流散熱都是利用環(huán)境中空氣的交換，因此在控制柜內(nèi)安裝這兩種散熱方式的變頻器，必須考慮到風(fēng)道設(shè)計(jì)。通常，控制柜的進(jìn)風(fēng)口可以選擇柜門前側(cè)底部，出風(fēng)口可以選擇頂部散熱，在多臺變頻器安裝時，必須考慮導(dǎo)風(fēng)裝置，以避免變頻器上下單純的層疊式安裝。因?yàn)樵谶@種層疊式安裝設(shè)計(jì)中，最下面變頻器散熱后的熱風(fēng)將直接吸入到上面變頻器的進(jìn)風(fēng)口，最后導(dǎo)致散熱效果差。裝設(shè)了導(dǎo)風(fēng)裝置后，能夠保證不同位置的變頻器進(jìn)風(fēng)溫度相當(dāng)。

5 結(jié)束語

    通常，變頻器安裝在控制柜中。一臺變頻器的發(fā)熱量可以用以下公式估算：發(fā)熱量的近似值＝ 變頻器容量（kW）×55 [W]，其中變頻器容量是以恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載為準(zhǔn)的（過流能力150% × 60s），如果變頻器帶有直流電抗器或交流電抗器, 并且也在柜子里面, 這時發(fā)熱量會更大一些。 電抗器安裝在變頻器側(cè)面或測上方比較好。

    這時可以用估算：變頻器容量（kW）×60 [W]，因?yàn)楦髯冾l器廠家的硬件都差不多，所以上式可以針對各品牌的產(chǎn)品。注意：如果有制動電阻的話，因?yàn)橹苿与娮璧纳崃亢艽螅虼税惭b位置最好和變頻器隔離開，如裝在柜子上面或旁邊等。那么，怎樣采能降低控制柜內(nèi)的發(fā)熱量呢?

    當(dāng)變頻器安裝在控制機(jī)柜中時，要考慮變頻器發(fā)熱值的問題。根據(jù)機(jī)柜內(nèi)產(chǎn)生熱量值的增加，要適當(dāng)?shù)卦黾訖C(jī)柜的尺寸。因此，要使控制機(jī)柜的尺寸盡量減小，就必須要使機(jī)柜中產(chǎn)生的熱量值盡可能地減少。如果在變頻器安裝時，把變頻器的散熱器部分放到控制機(jī)柜的外面，將會使變頻器有70％的發(fā)熱量釋放到控制機(jī)柜的外面。由于大容量變頻器有很大的發(fā)熱量，所以對大容量變頻器更加有效。還可以用隔離板把本體和散熱器隔開, 使散熱器的散熱不影響到變頻器本體。這樣效果也很好。變頻器散熱設(shè)計(jì)中都是以垂直安裝為基礎(chǔ)的，橫著放散熱會變差的! 關(guān)于冷卻風(fēng)扇一般功率稍微大一點(diǎn)的變頻器， 都帶有冷卻風(fēng)扇。同時，也建議在控制柜上出風(fēng)口安裝冷卻風(fēng)扇。進(jìn)風(fēng)口要加濾網(wǎng)以防止灰塵進(jìn)入控制柜。需要注意的是，控制柜和變頻器上的風(fēng)扇都是必要的，不能誰替代誰。


參考文獻(xiàn)

[1] 李方園. 變頻器行業(yè)應(yīng)用實(shí)踐[M]. 北京: 中國電力出版社，2006. 

[2] 李方園. 變頻器自動化工程實(shí)踐[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社，2007.

[3] 李方園. 變頻器故障排除[M]. 01北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[4] 馬駿，張騰. 濟(jì)鋼KR罐車變頻器F011過電流故障的處理[J]. 變頻器世界.