變頻器相模塊觸橋改造為銅排連接的分析

曹哲 鄧強

摘要：在2014年前后，國產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點是易于現場維護，當設備故障時，維修速度明顯提升。但由于該種連接方式對現場裝備的要求較高，需要專業人員進行裝備，如果安裝偏差較大，會造成觸橋接觸不穩定，當變頻器整流部分運行高電流時候，整流模塊直流輸出母排與柜體直流母排的連接觸橋處運行時過熱燒毀后飛弧，飛弧時噴濺的銅屑破壞設備絕緣，導致設備內部出現短路，進而使得功率單元發生故障停機。觸橋式連接對于各個器件的制作工藝要求非常高，對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，銅排連接更加穩定、可靠、安全，可避免周圍環境震動而移位，另外銅排載流量更加大，同時散熱性能也會更好。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比，將觸橋連接整改為銅排直接連接之后的穩定性的提升和故障率的降低。

關鍵詞： 電壓型變頻器? 相模塊? 觸橋? 銅排

0 前言

電壓型變頻器的結構由三部分組成，整流、濾波和逆變三部分，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，在后期運行維護中更加方便，只需將相模塊上相關外接線拆掉，就可將模塊整體拔出。但是由于該種插拔式連接對于安裝工藝要求較高，如果安裝位置偏差較大就會造成觸橋連接出現過熱、燒毀現象;通過結構地優化改造，將觸橋連接取消更改為銅排直連，可以解決接觸不穩定、溫度過熱等情況，盡管在后期維護時，空間受限，施工不方便，但是加之銅排本身穩定的特性，可以有效地提高變頻器的穩定性，減少故障率。

1 現象描述及分析

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

出現故障的位置是一種觸橋型式的彈性連接，檢查時發現該處連接點的直流正母排被燒毀，負母排良好無損傷。根據這一現象分析故障原因是由于廠內設備組裝時個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。設備長期運行時一側的觸橋因為接觸不良發生過熱變形。

觸橋安裝時公板應插入母板的中間位置，公板兩側距母板的間隙誤差大于0.5mm。觸橋在公板插入后壓縮，標準壓縮量應該在1.65-1.95mm之間。如果公板在裝配時沒有控制好工藝時，公板整體偏向一側就會導致另一側的觸橋壓縮量不足，導致接觸電阻增大，發熱量增加。

該故障點的觸橋是整個設備內部電流負荷最大的觸橋，觸橋在工作時的負荷電流波形如下圖1：

圖1是在故障時刻觸橋上的實際負荷電流值AC：610Arms/1.2KApeak。產品滿負荷運行時的電流值AC：906Arms/1.78KApeak。而該觸橋的設計容量為AC：1.6KArms/2.3KApeak。實際運行電流小于設計容量。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，是指利用高導電率的銅材料制作的，被用來連接電器設備，并且傳輸電能，具有匯聚、分散、傳送電能的長導體。銅排在很多工程的實際應用中，被作為信號傳遞元件，具備良好的可擴展性、安全性，同時由于銅排電流密度相對較大，電阻較小，集膚效應小，能量損耗小，使其具有良好的導電性、導熱性以及良好的機械性能，其結構性能、熱性能等各項參數的選擇設置占領著舉足輕重的地位，尤其在電子設備連接中，特別是很多成套的裝置中得到了非常廣泛的應用。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：

將直流輸出正負母排更改為U型包覆母排，一端固定在模塊內部散熱器上，一端設腰型孔留做外部連接接口;正負母排之間用絕緣件固定;在模塊封板上設四個固定點，與柜體內的母板固定板連接

3 理論驗證

而將相模塊觸橋連接方式更改后，我們需要再從兩個方面去驗證該整改是否能夠穩定、可靠地運行，即需評估換流回路對關斷尖峰的影響，目標是確保電壓尖峰不超過安全值、且有較大裕量;另外，從理論來講，只要銅排載流面積夠，銅排搭接面積夠，緊固力夠，長期通流就可以保證，但需要通過理論設計進行論證。

3.1 對換流回路的影響

取消表帶后并沒有顯著增加回路長度，回路電感不會增加，不會導致關斷電壓尖峰增加。

1）改銅排后的換流測試

對無表帶方案樣機進行換流試驗，觀測電壓尖峰情況是否符合要求。

試驗數據如下見下表1，

兩個電壓尖峰的定義見下圖2，

2）試驗數據分析

從試驗數據可以看到，在3000A關斷的時候，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，實際工況中的最大電流不到3000A，不超過2500A。所以，無表帶方案的IEGT關斷是非常安全的。

3.2 能否長期穩定的通電流

1）載流面積

銅排橫截面5*150，額定載流量1950A，實際工況中直流母排電流不超過1000A，裕度系數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M12*30內六角螺栓緊固，力矩70N.m，這個設計的依據來自公司內部標準，要高于國家標準，所以更具穩定性。

所以，通過以上試驗數據論證，加之對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行需求。

4 結論

本文對變頻器整流單元相模塊的整改進行了討論分析，相模塊輸出采用觸橋式連接在維護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，會使得在長期運行過程中彈簧無法正常彈回、接觸不均勻，加之封裝的結構，散熱也會存在問題，進而影響載流量，嚴重時由于過熱燒毀后飛弧，噴濺的銅屑破壞設備絕緣而導致內部出現短路現象。

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電性、導熱性以及良好的機械性能，進而使相模塊輸出連接更加穩定可靠，通過對環流回路影響的計算以及理論分析載流量等影響，確認整改后的銅排連接完全滿足變頻的穩定運行，其可靠性、安全性完全符合標準。

參考文獻

[1] 劉向軍，費俊洪.電接觸的接觸電阻研究進展[J].上海電器技術，1993，（3）：3-7

[2] 謝力華，蘇彥民.逆變電源的并聯運行控制技術[J].電力電子技術，2000，34（4）：1-3