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案例详细
标题变频器的故障排除 第4讲 变频器过热故障及案例分析
技术领域
行业石油天然气
简介变频器在运行过程中会产生一定的功耗，并通过自然散热、对流散热、液冷散热三种方式将运行温度确保在40℃。本文将主要探讨变频器过热故障形成的原因及其处理办法，并以“收卷变频器过载”案例阐述了过热故障排除的步骤，同时对变频柜安装方式提出了比较实用的建议。
内容






李方园（1973-）
男，浙江舟山人，毕业于浙江大学电气自动化专业，高级工程师，长期从事于变频器等现代工控产品的应用与研究工作。


摘要：变频器在运行过程中会产生一定的功耗，并通过自然散热、对流散热、液冷散热三种方式将运行温度确保在40℃。本文将主要探讨变频器过热故障形成的原因及其处理办法，并以“收卷变频器过载”案例阐述了过热故障排除的步骤，同时对变频柜安装方式提出了比较实用的建议。

关键词：变频器；过热故障；对流散热；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

    变频器作为一种变流器在运行过程中要产生一定的功耗。由于使用器件不同，控制方式不同，不同品牌，不同规格的变频器所产生的功耗也不尽相同。资料表明变频器的功耗一般为其容量的4~5%。其中逆变部分约占50%，整流及直流回路约40%，控制及保护电路为5~15%。10℃法则表明当器件温度降低10℃，器件的可靠性增长一倍。可见如何处理变频器的散热，降低温升，提高器件的可靠性，从而延长设备的使用寿命是多么重要。

    本文将主要探讨变频器过热故障形成的原因及其处理办法。

2 变频器散热的结构分析

    从目前变频器的构造分析，散热一般可分为以下三种：自然散热、对流散热、液冷散热。

    （1）自然散热

    对于小容量的变频器一般选用自然散热方式（如图1a），其使用环境应通风良好，无易附着粉尘及飘浮物。此类变频器的拖动对象多为家用空调、数控机床之类，功率很小，使用环境比较优良。

    另外一种使用自然散热方式的变频器容量并不一定小，那就是防爆变频器。对于此类变频器小容量可以选用一般类型的散热器即可，要求散热面积在允许的范围内尽可能的大一些，散热肋片间距小一些，尽可能的增加热辐射面积。对于大容量的防爆变频器，如使用自然散热方式建议使用热管散热器。热管散热器是近年来新兴的一种散热器，它是热管技术与散热器技术结合的一种产品，它的散热效率极高，可以将防爆变频器的容量做的比较大，可达几百kVA。这种散热器相对普通散热器，所不同之处就是体积相对大，成本高。这种散热方式与水冷散热相比较还是有优势的：水冷要用水冷器件，水冷散热器以及必不可少的水循环系统等等，其成本比使用热管散热器散热高。业界反映热管散热器性能好，值得推广。

    自然散热的另外一种方式就是“穿墙式”自然散热，这种散热方式最多减少80％的热量，其特点是变频器的主体与散热片通过电控箱完全隔离，大大提高了变频器元器件的散热效果。如图1b所示。这种散热方式最大的好处就是可以做到定时清理散热器，且能保证电控箱的防护等级做得更高。象常见的棉纺企业由于棉絮过多，经常容易堵塞变频器的通风道，导致变频器的过热故障，用穿墙式自然散热就能很好得解决这一问题。

                          a)普通散热                     b)穿墙式散热

                                  图1   自然散热方式

    （2）对流散热

    对流散热是普遍采用的一种散热方式，如图2所示。随着半导体器件的发展，半导体器件散热器也得到了飞速的发展，趋向标准化，系列化，通用化；而新产品则向低热阻，多功能，体积小，重量轻，适用于自动化生产与安装等方向发展。世界几大散热器生产商，产品多达上千个系列，并全部经过测试，提供了使用功率与散热器热阻曲线，为用户准确选用提供了方便。同时散热风机的发展也相当快，呈现出体积小，长受命，低噪声，低功耗，大风量，高防护的特点。如常用的小功率变频器散热风机只有25mm×25mm×10mm；日本SANYO长寿命风机可达200000h，防护等级可达IPX5；更有德国ebm大风量轴流风机，排风量高达5700m3/h。这些因素为设计者提供了非常广阔的选择空间。

    对流散热正是由于使用的器件(风机、散热器)选择比较容易，成本不是太高,变频器的容量可以做到从几十到几百kVA，甚至更高(采取单元并联方式)才被广为采用。

                                      图2   对流散热方式

    （3）液冷散热

    水冷是工业液冷方式中较常用的一种方式，如图3所示。针对变频器这种设备选用该方式散热的很少，因为它的成本高，用在小容量变频器时体积大，再由于通用变频器的容量在几kVA到近百kVA，容量不是很大，很难将性价比做到让用户接受的程度，只有在特殊场合（如需要防爆）以及容量特别大的变频器才采用这种方式。

    水冷变频器在欧洲已有近十年的历史，广泛应用于轮船、机车等高功率且空间有限的场合。相对于传统的风冷变频器，水冷变频器更有效地解决了散热问题，从而使高功率变频器的体积大大缩小，性能更加稳定。体积的减小意味着节省了设备安装空间，从而有效地解决了很多特殊场合对变频器体积的要求。如芬兰VACON公司的400kW水冷变频器，其体积仅为同等级的风冷变频器的五分之一。

                                     图3   水冷散热方式

    资料表明，散热器表面经电泳涂漆发黑或阳极氧化发黑后，其散热量在自然冷却情况下可提高10~15%，在强迫风冷情况下可提高20~30%，电泳涂漆后表面耐压可达500~800V。所以在选择散热器及制定加工工艺时，对散热器进行上述工艺处理会大大提高本身的散热能力，还可以增强绝缘性，降低了因安装不当造成的爬电距离过小，电气间隙不够等带来的不利影响。

    散热效果优劣与安装工艺有密切关系，安装时应尽量增大功率模块与散热器的接触面积降低热阻，提高传热效果。在功率器件与散热器之间涂一层薄薄的导热硅脂可以降低热阻25~30%。如需要在功率器件与散热器之间加绝缘或加垫块来方便安装，建议使用低热阻材料：薄云母，聚酯薄膜或紫铜块，铝块。合理安排器件在散热器上的位置，单件安装时应使器件位于散热器基面中心位置，多件安装时应均匀分布。紧固器件时需保证扭力一致。安装完毕后不宜对器件及散热器再进行机械加工，否则会产生应力，增加热阻。单面肋片式散热器，适于在设备外部作自然风冷，即利于功率器件的通风又可降低机内温度。自然风冷时，应使散热器的断面平行于水平面的方向；强迫风冷时，应使气流的流向平行于散热器的肋片方向。

    无论采用哪种散热方式，都应根据变频器的容量，确定它的功耗，选择适当的风机，以及适当的散热器，达到优良的性价比，同时也应将变频器所使用的环境因素充分考虑到。针对环境比较恶劣(高温，高湿，煤矿，油田，海上平台)的情况，必须采取相应的措施，确保变频器正常可靠的运行。从变频器本身，应尽可能的避免不利因素的影响，例如针对灰尘、风沙的影响可以进行密封处理，只有散热器风道与外界空气接触，避免了对变频器内部的影响；针对盐雾，潮湿等可以对变频器各部件进行绝缘喷涂处理；野外作业用变频器要加防护，做到防雨、防晒、防雾、防尘；对于高温高湿环境可以增加空调等设备进行降温除湿，给变频器一个良好的环境，确保变频器可靠运行。

3 变频器过热的处理方法

    对于变频器过热故障，一般的处理方法有两种：

    （1）采用风扇散热
 
    变频器内装风扇可将变频器箱体内的热量带走。

    （2）降低运行环境温度

    变频器是电力电子装置，内含电子元件、电解电容等，所以温度对其寿命影响较大。通用变频器的环境运行温度一般要求-10℃～+50℃，如果能降低变频器运行温度，就延长了变频器的使用寿命，性能也稳定。 

    在具体问题处理过程中，不同的变频器过热故障应该按照自身的代码进行逐步定位，如艾默生变频器EV/TD系列的过热故障代码显示E011（IPM散热器过热）、E012（整流桥散热器过热），其故障定位如图4所示。

                                   图4   艾默生过热故障定位

4 案例分析：收卷变频器过热

    （1）故障现象

    某电池厂使用2台ABB变频器ACS800-01-0025-3来控制锌板收卷传动（图5所示），由于收卷涉及到快速制动，需要使用制动电阻来吸收过压能量。在运行过程中发现，变频器经常报故障FF83“FAN OVERTEMP”，提示变频器过热。检查环境温度也正常，同时也将变频柜全敞开，使用排风机进行对吹，发现其中一台变频器报故障次数少了许多，但另外一台变频器还是不停地报过热故障。

                                    图5   变频收卷控制示意

    （2）分析处理

    检查变频柜的设计，发现有严重问题，图6所示为原来变频器放置图。变频器1的热风加上制动电阻1的热量一起进入变频器2的进风通道，导致进风温度远远超过＋40℃，从而导致变频过热故障。

                                      图6   变频器放置结构

    安装隔板，重新放置制动电阻。

                                 图7   重新设置挡板和制动电阻位置

    两台变频器上下安装时，必须安装导流挡板（如图7所示），以避免下面的变频器排出的热风进入上面变频器的散热风道。同时，由于制动电阻能产生大量的热量，必须把它安置在变频柜外的安全位置。

    （3）案例归纳

    在变频器的散热方式中，自然散热和对流散热都是利用环境中空气的交换，因此在控制柜内安装这两种散热方式的变频器，必须考虑到风道设计。通常，控制柜的进风口可以选择柜门前侧底部，出风口可以选择顶部散热，在多台变频器安装时，必须考虑导风装置，以避免变频器上下单纯的层叠式安装。因为在这种层叠式安装设计中，最下面变频器散热后的热风将直接吸入到上面变频器的进风口，最后导致散热效果差。装设了导风装置后，能够保证不同位置的变频器进风温度相当。

5 结束语

    通常，变频器安装在控制柜中。一台变频器的发热量可以用以下公式估算：发热量的近似值＝ 变频器容量（kW）×55 [W]，其中变频器容量是以恒转矩负载为准的（过流能力150% × 60s），如果变频器带有直流电抗器或交流电抗器, 并且也在柜子里面, 这时发热量会更大一些。 电抗器安装在变频器侧面或测上方比较好。

    这时可以用估算：变频器容量（kW）×60 [W]，因为各变频器厂家的硬件都差不多，所以上式可以针对各品牌的产品。注意：如果有制动电阻的话，因为制动电阻的散热量很大，因此安装位置最好和变频器隔离开，如装在柜子上面或旁边等。那么，怎样采能降低控制柜内的发热量呢?

    当变频器安装在控制机柜中时，要考虑变频器发热值的问题。根据机柜内产生热量值的增加，要适当地增加机柜的尺寸。因此，要使控制机柜的尺寸尽量减小，就必须要使机柜中产生的热量值尽可能地减少。如果在变频器安装时，把变频器的散热器部分放到控制机柜的外面，将会使变频器有70％的发热量释放到控制机柜的外面。由于大容量变频器有很大的发热量，所以对大容量变频器更加有效。还可以用隔离板把本体和散热器隔开, 使散热器的散热不影响到变频器本体。这样效果也很好。变频器散热设计中都是以垂直安装为基础的，横着放散热会变差的! 关于冷却风扇一般功率稍微大一点的变频器， 都带有冷却风扇。同时，也建议在控制柜上出风口安装冷却风扇。进风口要加滤网以防止灰尘进入控制柜。需要注意的是，控制柜和变频器上的风扇都是必要的，不能谁替代谁。


参考文献

[1] 李方园. 变频器行业应用实践[M]. 北京: 中国电力出版社，2006. 

[2] 李方园. 变频器自动化工程实践[M]. 北京: 电子工业出版社，2007.

[3] 李方园. 变频器故障排除[M]. 01北京:化学工业出版社，2009.

[4] 马骏，张腾. 济钢KR罐车变频器F011过电流故障的处理[J]. 变频器世界.