《电工技术》杂志期刊精选——《浅析西门子6SE70变频装置散热系统及温度异常报警设定》

【摘要】随着电力电子技术的快速发展，热应力已经成为影响电子元器件失效率的一个重要的因素。变频器内部是集成电路和大功率的电子元件，其可靠性极易受到工作温度的影响,为了保证设备运行的可靠性，应尽可能将元器件的温度降低到实际允许的低水平。如果变频器散热问题处理不好，则会影响到变频器的使用状态和使用寿命，引起变频器过流、过热跳闸,甚至造成变频器的损坏。本文通过对西门子变频器冷却系统及温度检测功能的研究，利用限幅值监控器自由功能块，经过变频器内部参数设定及外部接线，终实现变频器温度异常检测及报警功能。
关键词:西门子6SE70变频器、散热系统、冷却风扇、温度检测、限幅值监控器自由功能块

1、变频器发热原因及其危害
变频器的发热是由内部损耗产生的，其主要发热来自于功率模块IGBT，IGBT的发热又集中在开和关的瞬间，因此开关频率越高则变频器的发热量就越大，同时在变频器工作时,通过变频器主回路的电流很大，终导致变频器内部产生大量的热。相关资料表明在变频器中各部分损耗以主电路为主，主回路损耗约占98%，控制电路占2%，变频器的功耗一般为其容量的4-5%，其中逆变部分约占50%，整流及直流回路约占40%，控制及保护电路为5-15%。如果变频器内积热量不能够及时排出，变频器带载能力会大大降低（如图1减载曲线所示）,过高的温度也会让变频器出现故障，加速元器件的老化。变频器产生大量的热应力将诱发电子元器件出现“电子迁移”，“电子迁移”并非立刻损坏芯片，而是一个缓慢降低电子元器件寿命的过程（“10℃法则”指出环境温度每提高10℃，元器件寿命约降低1/2）。变频器的故障率随温度升高而成指数上升，使用寿命随温度升高而成指数下降，为了避免“电子迁移”、延长元器件使用寿命，就需要对变频器进行散热。同时如果变频器温度太高且温度变化率较大时，变频器内部易出现结露现象，产生冷凝水，其绝缘性能会大大降低，甚至可能引发短路事故。更多资讯尽在中国电工网。

图1、减载曲线

2、西门子变频器散热系统简述

2.1冷却控制系统
西门子变频器冷却系统主要包括散热片和冷却风扇，在功率模块上垂直加装散热片，其目的是增加半导体的散热面积，尤其是结温，使其低于半导体器件的大结温，采用冷却风机从下向上吹风强迫对流散热，使变频器风扇的散热能力达到大化，把变频器内部的热量带走，将元器件的温度降低到实际可以达到的低水平，从而保证变频器内部电路以及元器件的可靠性。冷却风扇电机采用交流电机，电压230V，在环境温度为40℃时，风扇工作寿命≥35000小时，即按变频器连续运行折算为4年左右就要更换一次风扇。西门子公司为了延长变频器冷却风扇使用寿命，通过检测内部散热片温度实现冷却风扇运行受控，由图2中可以看出冷却风扇电源取自变频器进线，先由熔断器进行过流保护，再经过变压器T10进行隔离及变压（380/220V），后通过变频器内部受控继电器对冷却风机运行进行控制（由于风机变压器T10电源取自变频器进线，所以用万用表测量进线相间阻值时，会发现有两相阻值几乎为零，原因在于有两相之间并接了风机变压器）。

图2、6SE70变频器冷却风机系统示意图

2.2温度检测系统

西门子变频器温度检测系统中的热敏电阻用于检测系统的过温状态，它们安装于主元件(IGBT)的散热片或出线铜端子上，书本型与小的装机、装柜型只有一个热敏元件，随着变频器结构尺寸的增大，多可有三个热敏电阻，且均为NTC型（负温度系数）。热敏电阻的检测可以借助于6SE70测试盒进行测试。由图3可见变频器通电以后，温度监测系统首先选取外接所有热敏电阻信号的高温度值（散热器和空气温度），此时可以通过读取参数r833内数值（系统散热器的温度）与环境温度进行比较而得出判断变频器是否过温（注意:当时散热器的温度是否为冷态，即环境温度），同时西门子公司还提供了一路连接器号K0247供变频器工程人员使用，其次温度监测系统将所测大温度信号与变频器设定温度比较，如果超过了温度触发报警信号的阈值（散热片温度设定为90℃），变频器面板显示报警代码A022，但变频器可以正常工作；如果超过了极限值温度设置（散热片温度设定为95℃），变频器跳闸，面板显示故障代码F023，后将变频器报警号和故障号反映到状态字2的报警位23和故障位24，并预留输出开关量连接号B0146-B0149供工程人员使用。

图3、6SE70变频器温度检测系统示意图

3、变频器温度异常信号提前检测及报警设计方案
变频器冷却风机连续运行4年左右后，风扇各种性能就会逐渐下降，给变频器运行带来诸多不稳定因素，同时由于变频器没有冷却风机故障检测监控单元，这种隐患值班人很难及时发现，如何及时发现风机及变频器温度异常，由通常被动巡检变为设备主动报警提醒，本人通过对温度检测系统分析及限幅值监控器自由功能块的研究，经过参数设置实现了变频器异常温度信号提前检测并报警提示。
3.1限幅值监控器自由功能块简述
限幅值监控器自由功能块如图4所示，图中限幅值监控器中参数U136.02作为设定值，参数U136.01作为过程值，通过参数U136输出A 、B信号进行比较，由图可知A、B共有三种比较模式，即对过程值A取值与设定值B进行比较（︱A︱﹤B）、过程值A与设定值B进行比较（A﹤B）以及过程值A与设定值B进行比较（A=B）,现在对A﹤B、U139=1比较模式举例说明，图中B为设定值，A为过程值，U138为滞后功能参数给定值，当A＜B＋U138时，比较结果输出高信号并保持；当A＞B＋U138时，比较结果输出低信号并保持，直到出现A＜B时，比较结果输出变为高信号并保持。三种输出模式通过参数U139进行选择，后通过16位限幅值检测器开关量连接器B0476将比较后的结果输出给指定参数。自由功能块U951.18中另外两种模式，其中对A取值后再与B进行比较，与A﹤B比较模式类似；在A=B模式中，当A＞B－U138时，比较结果输出高信号并保持，若A信号减少到A－U138时，比较结果输出低信号并保持；若A信号增加到B＋2U138时，比较结果也输出低信号并保持，当若A信号减少到B＋U138时，比较结果输出变为高信号并保持，直至A信号减少到B－2U138时，比较结果输出变为低信号并保持。
3.2变频器温度异常报警参数设定
通过对限幅值监控器自由功能块分析，针对我公司风机变频器的实际运行情况，选用U139=1的输出模式，即A＜B信号比较方式，同时输出信号与所需要信号相反，因此在输出信号后加一个取非开关量连接器参数U251，将所需低保持信号变为高保持信号。6SE70系列西门子变频器温度格式化4000Hex=（=256℃），结合变频器降容、减载曲线并考虑变频器极限跳闸温度，将变频器的滞洄低报警温度设定为40度，即将变频器内部参数U135设定为与40度相对应的数值，由于U135单位为百分数，因此应将实际值40度转换为百分数，即40/256=15.625%，因此将U135参数设置为15.62，并通过连接器K0511连接至参数U136.02作为设定值B，同时将变频器温度测量值连接器K0247（变频器温度测量值）作为过程值，并将连接器K0247连接至参数U136.01作为过程值A，通过限幅值监控器U136输出B、A信号进行比较，为防止输出信号出现较大波动，将滞后功能参数U138设定为0.781，即滞后温度约为2度，将参数U139选择为1，考虑实际控制情况，将连接器B0476连接至参数U251，输出值取非后连接器号为B0641，如图中连接，令参数P654.01=B0641，输出通过X101端子6连接24V继电器，通过外接警铃报警提醒值班人员变频器超温或冷却风扇损坏，以便及时处理避免事故进一步扩大。

图4、温度报警参数连接图

所需参数设置如下：
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、结束语
以上通过对西门子6SE70变频器散热系统分析以及温度异常报警参数设置，为变频器安全稳定运行增加了一道保障屏障。变频器作为现代电力电子变频技术发展方向之一，其应用领域越来越广泛，提高变频器维护质量、降低故障率也越来越受到工程及维护人员关注，其中解决好变频器散热问题不仅要求设计者从变频器本身做到，还要求我们维护人员尽可能做好变频器定期维护、定期给工作环境除尘、定期清洁冷却风扇和风道，这样才能使变频器冷却系统发挥正常功能，使变频器温升在允许值之内，使变频器内部电路及元器件工作在一个相对“稳定、舒适”的温度环境中。后，如果生产现场需要显示变频器运行中的实际温度，工程技术人员可以将温度测量值连接器K0247通过变频器模拟量输出端子输出，并将其连接至仪表显示；也可以采用 PLC通过输入模块AI采集变频器温度输出端子信号，通过WINCC界面对运行中的温度进行实时显示、归档记录，这样更加便于查询故障，但设备投资较大。