《電工技術》雜志期刊精選——《淺析西門子6SE70變頻裝置散熱系統及溫度異常報警設定》

【摘要】隨著電力電子技術的快速發展，熱應力已經成為影響電子元器件失效率的一個重要的因素。變頻器內部是集成電路和大功率的電子元件，其可靠性極易受到工作溫度的影響,為了保證設備運行的可靠性，應盡可能將元器件的溫度降低到實際允許的低水平。如果變頻器散熱問題處理不好，則會影響到變頻器的使用狀態和使用壽命，引起變頻器過流、過熱跳閘,甚至造成變頻器的損壞。本文通過對西門子變頻器冷卻系統及溫度檢測功能的研究，利用限幅值監控器自由功能塊，經過變頻器內部參數設定及外部接線，終實現變頻器溫度異常檢測及報警功能。
關鍵詞:西門子6SE70變頻器、散熱系統、冷卻風扇、溫度檢測、限幅值監控器自由功能塊

1、變頻器發熱原因及其危害
變頻器的發熱是由內部損耗產生的，其主要發熱來自于功率模塊IGBT，IGBT的發熱又集中在開和關的瞬間，因此開關頻率越高則變頻器的發熱量就越大，同時在變頻器工作時,通過變頻器主回路的電流很大，終導致變頻器內部產生大量的熱。相關資料表明在變頻器中各部分損耗以主電路為主，主回路損耗約占98%，控制電路占2%，變頻器的功耗一般為其容量的4-5%，其中逆變部分約占50%，整流及直流回路約占40%，控制及保護電路為5-15%。如果變頻器內積熱量不能夠及時排出，變頻器帶載能力會大大降低（如圖1減載曲線所示）,過高的溫度也會讓變頻器出現故障，加速元器件的老化。變頻器產生大量的熱應力將誘發電子元器件出現“電子遷移”，“電子遷移”并非立刻損壞芯片，而是一個緩慢降低電子元器件壽命的過程（“10℃法則”指出環境溫度每提高10℃，元器件壽命約降低1/2）。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，為了避免“電子遷移”、延長元器件使用壽命，就需要對變頻器進行散熱。同時如果變頻器溫度太高且溫度變化率較大時，變頻器內部易出現結露現象，產生冷凝水，其絕緣性能會大大降低，甚至可能引發短路事故。更多資訊盡在中國電工網。

圖1、減載曲線

2、西門子變頻器散熱系統簡述

2.1冷卻控制系統
西門子變頻器冷卻系統主要包括散熱片和冷卻風扇，在功率模塊上垂直加裝散熱片，其目的是增加半導體的散熱面積，尤其是結溫，使其低于半導體器件的大結溫，采用冷卻風機從下向上吹風強迫對流散熱，使變頻器風扇的散熱能力達到大化，把變頻器內部的熱量帶走，將元器件的溫度降低到實際可以達到的低水平，從而保證變頻器內部電路以及元器件的可靠性。冷卻風扇電機采用交流電機，電壓230V，在環境溫度為40℃時，風扇工作壽命≥35000小時，即按變頻器連續運行折算為4年左右就要更換一次風扇。西門子公司為了延長變頻器冷卻風扇使用壽命，通過檢測內部散熱片溫度實現冷卻風扇運行受控，由圖2中可以看出冷卻風扇電源取自變頻器進線，先由熔斷器進行過流保護，再經過變壓器T10進行隔離及變壓（380/220V），后通過變頻器內部受控繼電器對冷卻風機運行進行控制（由于風機變壓器T10電源取自變頻器進線，所以用萬用表測量進線相間阻值時，會發現有兩相阻值幾乎為零，原因在于有兩相之間并接了風機變壓器）。

圖2、6SE70變頻器冷卻風機系統示意圖

2.2溫度檢測系統

西門子變頻器溫度檢測系統中的熱敏電阻用于檢測系統的過溫狀態，它們安裝于主元件(IGBT)的散熱片或出線銅端子上，書本型與小的裝機、裝柜型只有一個熱敏元件，隨著變頻器結構尺寸的增大，多可有三個熱敏電阻，且均為NTC型（負溫度系數）。熱敏電阻的檢測可以借助于6SE70測試盒進行測試。由圖3可見變頻器通電以后，溫度監測系統首先選取外接所有熱敏電阻信號的高溫度值（散熱器和空氣溫度），此時可以通過讀取參數r833內數值（系統散熱器的溫度）與環境溫度進行比較而得出判斷變頻器是否過溫（注意:當時散熱器的溫度是否為冷態，即環境溫度），同時西門子公司還提供了一路連接器號K0247供變頻器工程人員使用，其次溫度監測系統將所測大溫度信號與變頻器設定溫度比較，如果超過了溫度觸發報警信號的閾值（散熱片溫度設定為90℃），變頻器面板顯示報警代碼A022，但變頻器可以正常工作；如果超過了極限值溫度設置（散熱片溫度設定為95℃），變頻器跳閘，面板顯示故障代碼F023，后將變頻器報警號和故障號反映到狀態字2的報警位23和故障位24，并預留輸出開關量連接號B0146-B0149供工程人員使用。

圖3、6SE70變頻器溫度檢測系統示意圖

3、變頻器溫度異常信號提前檢測及報警設計方案
變頻器冷卻風機連續運行4年左右后，風扇各種性能就會逐漸下降，給變頻器運行帶來諸多不穩定因素，同時由于變頻器沒有冷卻風機故障檢測監控單元，這種隱患值班人很難及時發現，如何及時發現風機及變頻器溫度異常，由通常被動巡檢變為設備主動報警提醒，本人通過對溫度檢測系統分析及限幅值監控器自由功能塊的研究，經過參數設置實現了變頻器異常溫度信號提前檢測并報警提示。
3.1限幅值監控器自由功能塊簡述
限幅值監控器自由功能塊如圖4所示，圖中限幅值監控器中參數U136.02作為設定值，參數U136.01作為過程值，通過參數U136輸出A 、B信號進行比較，由圖可知A、B共有三種比較模式，即對過程值A取值與設定值B進行比較（︱A︱﹤B）、過程值A與設定值B進行比較（A﹤B）以及過程值A與設定值B進行比較（A=B）,現在對A﹤B、U139=1比較模式舉例說明，圖中B為設定值，A為過程值，U138為滯后功能參數給定值，當A＜B＋U138時，比較結果輸出高信號并保持；當A＞B＋U138時，比較結果輸出低信號并保持，直到出現A＜B時，比較結果輸出變為高信號并保持。三種輸出模式通過參數U139進行選擇，后通過16位限幅值檢測器開關量連接器B0476將比較后的結果輸出給指定參數。自由功能塊U951.18中另外兩種模式，其中對A取值后再與B進行比較，與A﹤B比較模式類似；在A=B模式中，當A＞B－U138時，比較結果輸出高信號并保持，若A信號減少到A－U138時，比較結果輸出低信號并保持；若A信號增加到B＋2U138時，比較結果也輸出低信號并保持，當若A信號減少到B＋U138時，比較結果輸出變為高信號并保持，直至A信號減少到B－2U138時，比較結果輸出變為低信號并保持。
3.2變頻器溫度異常報警參數設定
通過對限幅值監控器自由功能塊分析，針對我公司風機變頻器的實際運行情況，選用U139=1的輸出模式，即A＜B信號比較方式，同時輸出信號與所需要信號相反，因此在輸出信號后加一個取非開關量連接器參數U251，將所需低保持信號變為高保持信號。6SE70系列西門子變頻器溫度格式化4000Hex=（=256℃），結合變頻器降容、減載曲線并考慮變頻器極限跳閘溫度，將變頻器的滯洄低報警溫度設定為40度，即將變頻器內部參數U135設定為與40度相對應的數值，由于U135單位為百分數，因此應將實際值40度轉換為百分數，即40/256=15.625%，因此將U135參數設置為15.62，并通過連接器K0511連接至參數U136.02作為設定值B，同時將變頻器溫度測量值連接器K0247（變頻器溫度測量值）作為過程值，并將連接器K0247連接至參數U136.01作為過程值A，通過限幅值監控器U136輸出B、A信號進行比較，為防止輸出信號出現較大波動，將滯后功能參數U138設定為0.781，即滯后溫度約為2度，將參數U139選擇為1，考慮實際控制情況，將連接器B0476連接至參數U251，輸出值取非后連接器號為B0641，如圖中連接，令參數P654.01=B0641，輸出通過X101端子6連接24V繼電器，通過外接警鈴報警提醒值班人員變頻器超溫或冷卻風扇損壞，以便及時處理避免事故進一步擴大。

圖4、溫度報警參數連接圖

所需參數設置如下：
U135=15.62
U136.1=K0247
U136.2=K0511
U138=0.781
U139=1
U951.18=4
U251.08=B0476
P654.01=B0641
U951.08=4

4、結束語
以上通過對西門子6SE70變頻器散熱系統分析以及溫度異常報警參數設置，為變頻器安全穩定運行增加了一道保障屏障。變頻器作為現代電力電子變頻技術發展方向之一，其應用領域越來越廣泛，提高變頻器維護質量、降低故障率也越來越受到工程及維護人員關注，其中解決好變頻器散熱問題不僅要求設計者從變頻器本身做到，還要求我們維護人員盡可能做好變頻器定期維護、定期給工作環境除塵、定期清潔冷卻風扇和風道，這樣才能使變頻器冷卻系統發揮正常功能，使變頻器溫升在允許值之內，使變頻器內部電路及元器件工作在一個相對“穩定、舒適”的溫度環境中。后，如果生產現場需要顯示變頻器運行中的實際溫度，工程技術人員可以將溫度測量值連接器K0247通過變頻器模擬量輸出端子輸出，并將其連接至儀表顯示；也可以采用 PLC通過輸入模塊AI采集變頻器溫度輸出端子信號，通過WINCC界面對運行中的溫度進行實時顯示、歸檔記錄，這樣更加便于查詢故障，但設備投資較大。