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富凌百科 | 什么情况下变频器需要降容

发布者:富凌集团 2024.05.02

一、变频器降容的概念:

在变频器/逆变器的应用中,我们往往要根据实际的工况,考虑设备的降容问题,而在技术手册中,也会提供变频器在不同使用环境下的降容系数或曲线,便于使用者根据降容的曲线和负荷条件进行可靠的选型。究竟什么因素会需要变频器降容使用,以及降容使用中的一些技术问题,是我们今天要探讨的内容。

首先我们明确一个概念:变频器的额定输出电流是指在规定的工作条件下,能够连续供给而不会超过规定限值的总输出电流有效值。而所谓的“规定工作条件”涉及“环境温度”、“海拔高度”等外界因素,还有一些变频器自身的电气参数。当变频器的实际的运行条件突破“规定工作条件”时,变频器的输出能力会变弱,此时若变频器仍保持额定输出电流,其温度会更快上升,热平衡点也会超过额定值,到达温度保护门槛后触发变频器过热保护停机。因此在无法避免突破“规定工作条件”时,又要保证变频器能正常运行,就要降低变频器的额定输出电流,此现象称之为变频器的降容,引起变频器降容的相关因素称为降容条件。

二、导致降容的因素:

导致降容的主要因素有环境温度、海拔高度、开关频率和输出频率4项。其产生的最终影响都是使变频器的发热加剧。变频器中的功率元件(如IGBT,整流二极、或晶闸管,制动斩波器,或者集成的IPM)大都有测温元件采集其温度值,转换成电信号的形式输入到变频器的控制器中,该量通过模数转换后由控制器监控,当实际温度超过热报警的门槛值,即触发热保护动作。另须注意的是,负载的标准虽然不是直接导致降容的主要因素,但选型时也会影响到变频器的容量选择。

1、环境温度:
这是一个最直接的因素。环境温度越高,变频器的起点温度就越高,即使变频器运行在小于额定输出电流的状态,也更容易达到或超过热报警的门槛值。
通常变频器对环境温度上限的要求为≤40℃,这里的环境温度不是指气温或室内的温度,而是指最靠近变频器的周边空间温度。比如,当变频器安装在机柜内时,指机柜内的温度(经过测试发现在变频器四周10mm范围内多点测得的温度平均值能代表环境温度)。
环境温度降容系数参见下图:
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在+40℃~+50℃的温度范围内,每增加1℃额定输出电流必须降容1%。通过将额定值表中给定的电流值乘以降容系数(K),即可算出输出电流。
2、海拔高度:
随着海拔升高到1000m以上,空气会变得越来越稀薄,导热系数降低,变频器散热越来越困难,根据散热公式电流的平方与导热系数成正比(),从而会引起输出降容。通常变频器厂家会提供海拔1000m-4000m范围内的降容特征曲线,在更高的海拔高度,由于大气压和温度变得更为极端,很难评估变频器的使用条件是否能满足。一些资料和文章中提到过海拔的上升,环境温度会下降,允许电气设备有更大的温升空间,对于导热系数的降低有一定补偿作用,参考GB/T20626.1认为补偿值为海拔每升高100m,环境空气温度降低0.5℃。但补偿作用还需要结合变频器的“环境温度”因素来考虑。

海拔降容曲线参见下图:

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在海拔高度在1000m到4000m范围内,海拔每增加100m,变频器输出电流必须降容1%。当海拔高于2000m时,空气绝缘能力亦受到影响,电气间隙需要修正。

3、开关频率:
变频器中的IGBT器件的发热受开关频率影响。开关频率越高,变频器的输出电压的谐波幅值越小,输出电流越接近正弦波,转矩越平滑,电机噪声越小。但高开关频率使IGBT开通和关断更为频繁,产生的开关损耗和发热更严重。为兼顾谐波和发热两个主要因素,通常变频器的额定开关频率在2kHz-4kHz范围内。但在一些特殊应用,如控制高速电机,为减小谐波的危害需要将载波比①保持在10以上,因此要根据电机的额定运行频率提高开关频率,由此产生更高的开关损耗发热,需要变频器的输出降容。
①载波比=载波频率/调制波频率
以电气院TAC1-0900A-I2C3产品为例,开关频率降容曲线参见下图:

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在环境温度+40℃,随着开关频率的增加,变频器容量按曲线降容。
4、输出频率:
当变频器长时间以高输出电流工作在低输出频率时(例如在张力控制应用中),需要考虑降容,其原因是由IGBT功率器件的热疲劳造成,并不像温度、海拔等关键因素直观,容易被人忽视。变频器中逆变电路的IGBT只在半个输出基波周期中有电流流过,另半个周期无电流。低输出频率时电流流过很长一段时间,有电流时器件结温升高,无电流时温度迅速下降,周而复始,结温处于大幅波动状态。即使输出电流的均方根值保持不变,维持的时间很长,也会导致非常高的芯片温度Tchip和极高的温度波动ΔTchip。电流幅值越大或周期越长,ΔTchip越大。ΔTchip过大会降低器件使用寿命,因此变频器输出电流需要随输出频率减小(一般情况以<10Hz输出频率考虑)而降低,参见下图考虑降容。

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