變頻器相模塊觸橋改造為銅排連接的分析

曹哲 鄧強(qiáng)

摘要：在2014年前后，國(guó)產(chǎn)電壓型變頻器的功率單元多采用觸橋式連接，該類型的連接方式的最大優(yōu)點(diǎn)是易于現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)，當(dāng)設(shè)備故障時(shí)，維修速度明顯提升。但由于該種連接方式對(duì)現(xiàn)場(chǎng)裝備的要求較高，需要專業(yè)人員進(jìn)行裝備，如果安裝偏差較大，會(huì)造成觸橋接觸不穩(wěn)定，當(dāng)變頻器整流部分運(yùn)行高電流時(shí)候，整流模塊直流輸出母排與柜體直流母排的連接觸橋處運(yùn)行時(shí)過熱燒毀后飛弧，飛弧時(shí)噴濺的銅屑破壞設(shè)備絕緣，導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)短路，進(jìn)而使得功率單元發(fā)生故障停機(jī)。觸橋式連接對(duì)于各個(gè)器件的制作工藝要求非常高，對(duì)拆卸后的安裝工藝要求也較高，為了解決這一問題，可以將觸橋式連接整改為銅排的直接連接，銅排連接更加穩(wěn)定、可靠、安全，可避免周圍環(huán)境震動(dòng)而移位，另外銅排載流量更加大，同時(shí)散熱性能也會(huì)更好。本文主要探討相模塊直流輸出采用觸橋式連接和銅排直接連接的性能對(duì)比，將觸橋連接整改為銅排直接連接之后的穩(wěn)定性的提升和故障率的降低。

關(guān)鍵詞： 電壓型變頻器? 相模塊? 觸橋? 銅排

0 前言

電壓型變頻器的結(jié)構(gòu)由三部分組成，整流、濾波和逆變?nèi)糠?，整流部分的相模塊輸出端采用的是觸橋式連接，該類型的連接方式多為插拔式，在后期運(yùn)行維護(hù)中更加方便，只需將相模塊上相關(guān)外接線拆掉，就可將模塊整體拔出。但是由于該種插拔式連接對(duì)于安裝工藝要求較高，如果安裝位置偏差較大就會(huì)造成觸橋連接出現(xiàn)過熱、燒毀現(xiàn)象;通過結(jié)構(gòu)地優(yōu)化改造，將觸橋連接取消更改為銅排直連，可以解決接觸不穩(wěn)定、溫度過熱等情況，盡管在后期維護(hù)時(shí)，空間受限，施工不方便，但是加之銅排本身穩(wěn)定的特性，可以有效地提高變頻器的穩(wěn)定性，減少故障率。

1 現(xiàn)象描述及分析

變頻器設(shè)備在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)，整流單元相模塊出現(xiàn)頻繁故障，而故障位置多集中于相模塊輸出端，整改前的設(shè)備在該位置采用的是觸橋式連接方式，將模塊拆卸下來(lái)后可以發(fā)現(xiàn)，連接表帶出現(xiàn)了燒糊痕跡，并帶有飛弧時(shí)噴濺的銅屑。

出現(xiàn)故障的位置是一種觸橋型式的彈性連接，檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)該處連接點(diǎn)的直流正母排被燒毀，負(fù)母排良好無(wú)損傷。根據(jù)這一現(xiàn)象分析故障原因是由于廠內(nèi)設(shè)備組裝時(shí)個(gè)別位置工藝控制較差。整流模塊直流正母排與觸橋之間的裝配配合不佳。設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)一側(cè)的觸橋因?yàn)榻佑|不良發(fā)生過熱變形。

觸橋安裝時(shí)公板應(yīng)插入母板的中間位置，公板兩側(cè)距母板的間隙誤差大于0.5mm。觸橋在公板插入后壓縮，標(biāo)準(zhǔn)壓縮量應(yīng)該在1.65-1.95mm之間。如果公板在裝配時(shí)沒有控制好工藝時(shí)，公板整體偏向一側(cè)就會(huì)導(dǎo)致另一側(cè)的觸橋壓縮量不足，導(dǎo)致接觸電阻增大，發(fā)熱量增加。

該故障點(diǎn)的觸橋是整個(gè)設(shè)備內(nèi)部電流負(fù)荷最大的觸橋，觸橋在工作時(shí)的負(fù)荷電流波形如下圖1：

圖1是在故障時(shí)刻觸橋上的實(shí)際負(fù)荷電流值A(chǔ)C：610Arms/1.2KApeak。產(chǎn)品滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的電流值A(chǔ)C：906Arms/1.78KApeak。而該觸橋的設(shè)計(jì)容量為AC：1.6KArms/2.3KApeak。實(shí)際運(yùn)行電流小于設(shè)計(jì)容量。但由于裝配精度不夠，或者觸橋與表帶接觸不夠貼合、可靠的話，該部分裕量將會(huì)被吃掉，從而造成相模塊故障。

2 整改方案

銅排，是指利用高導(dǎo)電率的銅材料制作的，被用來(lái)連接電器設(shè)備，并且傳輸電能，具有匯聚、分散、傳送電能的長(zhǎng)導(dǎo)體。銅排在很多工程的實(shí)際應(yīng)用中，被作為信號(hào)傳遞元件，具備良好的可擴(kuò)展性、安全性，同時(shí)由于銅排電流密度相對(duì)較大，電阻較小，集膚效應(yīng)小，能量損耗小，使其具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性以及良好的機(jī)械性能，其結(jié)構(gòu)性能、熱性能等各項(xiàng)參數(shù)的選擇設(shè)置占領(lǐng)著舉足輕重的地位，尤其在電子設(shè)備連接中，特別是很多成套的裝置中得到了非常廣泛的應(yīng)用。在相模塊的改造中，銅排的連接方式采用固定連接，即按照一定的技術(shù)要求，通過螺栓、螺柱等將母排固定在一起的連接形式。

因此為降低人為控制裝配精度，將原來(lái)的直流母排觸橋彈性連接方案更改為銅排直連，提高連接的可靠性。具體方法如下：

將直流輸出正負(fù)母排更改為U型包覆母排，一端固定在模塊內(nèi)部散熱器上，一端設(shè)腰型孔留做外部連接接口;正負(fù)母排之間用絕緣件固定;在模塊封板上設(shè)四個(gè)固定點(diǎn)，與柜體內(nèi)的母板固定板連接

3 理論驗(yàn)證

而將相模塊觸橋連接方式更改后，我們需要再?gòu)膬蓚€(gè)方面去驗(yàn)證該整改是否能夠穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行，即需評(píng)估換流回路對(duì)關(guān)斷尖峰的影響，目標(biāo)是確保電壓尖峰不超過安全值、且有較大裕量;另外，從理論來(lái)講，只要銅排載流面積夠，銅排搭接面積夠，緊固力夠，長(zhǎng)期通流就可以保證，但需要通過理論設(shè)計(jì)進(jìn)行論證。

3.1 對(duì)換流回路的影響

取消表帶后并沒有顯著增加回路長(zhǎng)度，回路電感不會(huì)增加，不會(huì)導(dǎo)致關(guān)斷電壓尖峰增加。

1）改銅排后的換流測(cè)試

對(duì)無(wú)表帶方案樣機(jī)進(jìn)行換流試驗(yàn)，觀測(cè)電壓尖峰情況是否符合要求。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下見下表1，

兩個(gè)電壓尖峰的定義見下圖2，

2）試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看到，在3000A關(guān)斷的時(shí)候，電壓尖峰最高3437V，而器件能耐受的最大尖峰是3800V，有300多V的裕量。另外，實(shí)際工況中的最大電流不到3000A，不超過2500A。所以，無(wú)表帶方案的IEGT關(guān)斷是非常安全的。

3.2 能否長(zhǎng)期穩(wěn)定的通電流

1）載流面積

銅排橫截面5*150，額定載流量1950A，實(shí)際工況中直流母排電流不超過1000A，裕度系數(shù)1.95

2）搭接面

搭接面積35*150，是銅排橫截面積的7倍，在緊固力矩足夠的情況下，載流量不低于8000A

3）搭接面螺栓緊固

搭接面4個(gè)M12*30內(nèi)六角螺栓緊固，力矩70N.m，這個(gè)設(shè)計(jì)的依據(jù)來(lái)自公司內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，要高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，所以更具穩(wěn)定性。

所以，通過以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)論證，加之對(duì)銅排方案的電氣性能論證，此方案可行，完全滿足相模塊的運(yùn)行需求。

4 結(jié)論

本文對(duì)變頻器整流單元相模塊的整改進(jìn)行了討論分析，相模塊輸出采用觸橋式連接在維護(hù)和安裝過程中更為方便快捷，但由于工裝精度以及安裝精度的限制，會(huì)使得在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中彈簧無(wú)法正常彈回、接觸不均勻，加之封裝的結(jié)構(gòu)，散熱也會(huì)存在問題，進(jìn)而影響載流量，嚴(yán)重時(shí)由于過熱燒毀后飛弧，噴濺的銅屑破壞設(shè)備絕緣而導(dǎo)致內(nèi)部出現(xiàn)短路現(xiàn)象。

將觸橋式連接方式改為銅排連接，由于銅排自身具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性以及良好的機(jī)械性能，進(jìn)而使相模塊輸出連接更加穩(wěn)定可靠，通過對(duì)環(huán)流回路影響的計(jì)算以及理論分析載流量等影響，確認(rèn)整改后的銅排連接完全滿足變頻的穩(wěn)定運(yùn)行，其可靠性、安全性完全符合標(biāo)準(zhǔn)。

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