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


摘要：變頻器在運行過程中會產生一定的功耗，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用的建議。

關鍵詞：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行過程中要產生一定的功耗。由于使用器件不同，控制方式不同，不同品牌，不同規格的變頻器所產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%，控制及保護電路為5~15%。10℃法則表明當器件溫度降低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 變頻器散熱的結構分析

    從目前變頻器的構造分析，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），其使用環境應通風良好，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、數控機床之類，功率很小，使用環境比較優良。

    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，它是熱管技術與散熱器技術結合的一種產品，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系統等等，其成本比使用熱管散熱器散熱高。業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等級做得更高。象常見的棉紡企業由于棉絮過多，經常容易堵塞變頻器的通風道，導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。隨著半導體器件的發展，半導體器件散熱器也得到了飛速的發展，趨向標準化，系列化，通用化；而新產品則向低熱阻，多功能，體積小，重量輕，適用于自動化生產與安裝等方向發展。世界幾大散熱器生產商，產品多達上千個系列，并全部經過測試，提供了使用功率與散熱器熱阻曲線，為用戶準確選用提供了方便。同時散熱風機的發展也相當快，呈現出體積小，長受命，低噪聲，低功耗，大風量，高防護的特點。如常用的小功率變頻器散熱風機只有25mm×25mm×10mm；日本SANYO長壽命風機可達200000h，防護等級可達IPX5；更有德國ebm大風量軸流風機，排風量高達5700m3/h。這些因素為設計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(風機、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。針對變頻器這種設備選用該方式散熱的很少，因為它的成本高，用在小容量變頻器時體積大，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，廣泛應用于輪船、機車等高功率且空間有限的場合。相對于傳統的風冷變頻器，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，性能更加穩定。體積的減小意味著節省了設備安裝空間，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，散熱器表面經電泳涂漆發黑或陽極氧化發黑后，其散熱量在自然冷卻情況下可提高10~15%，在強迫風冷情況下可提高20~30%，電泳涂漆后表面耐壓可達500~800V。所以在選擇散熱器及制定加工工藝時，對散熱器進行上述工藝處理會大大提高本身的散熱能力，還可以增強絕緣性，降低了因安裝不當造成的爬電距離過小，電氣間隙不夠等帶來的不利影響。

    散熱效果優劣與安裝工藝有密切關系，安裝時應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，單件安裝時應使器件位于散熱器基面中心位置，多件安裝時應均勻分布。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行機械加工，否則會產生應力，增加熱阻。單面肋片式散熱器，適于在設備外部作自然風冷，即利于功率器件的通風又可降低機內溫度。自然風冷時，應使散熱器的斷面平行于水平面的方向；強迫風冷時，應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，都應根據變頻器的容量，確定它的功耗，選擇適當的風機，以及適當的散熱器，達到優良的性價比，同時也應將變頻器所使用的環境因素充分考慮到。針對環境比較惡劣(高溫，高濕，煤礦，油田，海上平臺)的情況，必須采取相應的措施，確保變頻器正常可靠的運行。從變頻器本身，應盡可能的避免不利因素的影響，例如針對灰塵、風沙的影響可以進行密封處理，只有散熱器風道與外界空氣接觸，避免了對變頻器內部的影響；針對鹽霧，潮濕等可以對變頻器各部件進行絕緣噴涂處理；野外作業用變頻器要加防護，做到防雨、防曬、防霧、防塵；對于高溫高濕環境可以增加空調等設備進行降溫除濕，給變頻器一個良好的環境，確保變頻器可靠運行。

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）采用風扇散熱
 
    變頻器內裝風扇可將變頻器箱體內的熱量帶走。

    （2）降低運行環境溫度

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

    在具體問題處理過程中，不同的變頻器過熱故障應該按照自身的代碼進行逐步定位，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。在運行過程中發現，變頻器經常報故障FF83“FAN OVERTEMP”，提示變頻器過熱。檢查環境溫度也正常，同時也將變頻柜全敞開，使用排風機進行對吹，發現其中一臺變頻器報故障次數少了許多，但另外一臺變頻器還是不停地報過熱故障。

                                    圖5   變頻收卷控制示意

    （2）分析處理

    檢查變頻柜的設計，發現有嚴重問題，圖6所示為原來變頻器放置圖。變頻器1的熱風加上制動電阻1的熱量一起進入變頻器2的進風通道，導致進風溫度遠遠超過＋40℃，從而導致變頻過熱故障。

                                      圖6   變頻器放置結構

    安裝隔板，重新放置制動電阻。

                                 圖7   重新設置擋板和制動電阻位置

    兩臺變頻器上下安裝時，必須安裝導流擋板（如圖7所示），以避免下面的變頻器排出的熱風進入上面變頻器的散熱風道。同時，由于制動電阻能產生大量的熱量，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境中空氣的交換，因此在控制柜內安裝這兩種散熱方式的變頻器，必須考慮到風道設計。通常，控制柜的進風口可以選擇柜門前側底部，出風口可以選擇頂部散熱，在多臺變頻器安裝時，必須考慮導風裝置，以避免變頻器上下單純的層疊式安裝。因為在這種層疊式安裝設計中，最下面變頻器散熱后的熱風將直接吸入到上面變頻器的進風口，最后導致散熱效果差。裝設了導風裝置后，能夠保證不同位置的變頻器進風溫度相當。

5 結束語

    通常，變頻器安裝在控制柜中。一臺變頻器的發熱量可以用以下公式估算：發熱量的近似值＝ 變頻器容量（kW）×55 [W]，其中變頻器容量是以恒轉矩負載為準的（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, 這時發熱量會更大一些。 電抗器安裝在變頻器側面或測上方比較好。

    這時可以用估算：變頻器容量（kW）×60 [W]，因為各變頻器廠家的硬件都差不多，所以上式可以針對各品牌的產品。注意：如果有制動電阻的話，因為制動電阻的散熱量很大，因此安裝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的發熱量呢?

    當變頻器安裝在控制機柜中時，要考慮變頻器發熱值的問題。根據機柜內產生熱量值的增加，要適當地增加機柜的尺寸。因此，要使控制機柜的尺寸盡量減小，就必須要使機柜中產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柜的外面，將會使變頻器有70％的發熱量釋放到控制機柜的外面。由于大容量變頻器有很大的發熱量，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。變頻器散熱設計中都是以垂直安裝為基礎的，橫著放散熱會變差的! 關于冷卻風扇一般功率稍微大一點的變頻器， 都帶有冷卻風扇。同時，也建議在控制柜上出風口安裝冷卻風扇。進風口要加濾網以防止灰塵進入控制柜。需要注意的是，控制柜和變頻器上的風扇都是必要的，不能誰替代誰。


參考文獻

[1] 李方園. 變頻器行業應用實踐[M]. 北京: 中國電力出版社，2006. 

[2] 李方園. 變頻器自動化工程實踐[M]. 北京: 電子工業出版社，2007.

[3] 李方園. 變頻器故障排除[M]. 01北京:化學工業出版社，2009.

[4] 馬駿，張騰. 濟鋼KR罐車變頻器F011過電流故障的處理[J]. 變頻器世界.