解读变频器的输出降容

刘允松

摘要

本文以ATV71变频器为例，解读衡量变频器降容的标准，并解释与导致变频器降容使用的的因素。

关键词：　变频器　降容

概述

我们在作变频器的推广介绍时，经常需要描述变频器在最高环境温度为什么样的范围内可以不降容，在最高多高的环境温度下可以降容使用，如何降容。在招投标过程中，也经常要求提供变频器的降容曲线以满足环境状况的需要，或者需要根据降容的曲线和负荷条件进行可靠的选型。

那么哪些因素决定变频器在特定环境下的负载能力呢？衡量的标准如何？在文献中往往没有专门的介绍，所以对此相关人员往往没有准确的认识。本文将对此进行阐述，并以ATV71变频器的降容曲线为例解读之。

输出降容的概念

在变频器的技术手册中，往往都能提供变频器在使用环境下的降容特性，并以降容系数或曲线表示，前者比较笼统，后者比较具体。那么什么是降容使用呢？

在变频器的规格表中，需要列出变频器的连续输出电流或输出容量，是指变频器在额定的运行条件下，长期稳定运行并使变频器的热状态达到额定的安全值时允许输出给电机的最大连续电流或连续输出容量。在这种额定条件下，变频器到达热稳态后热状态为100%（通常为散热器附近的测温元件所表征的温度归算到标准值，与温度的绝对值或温升没有线性关系，与变频器的规格有关）。

当运行条件突破额定工作条件时，变频器的输出能力将发生变化，也就是说，如果变频器输出额定连续电流或额定容量，变频器自身的温度或者热状态将更快地上升。变频器的稳态的热状态会超过额定值，到达规定的限度后而触发变频器过热保护停机。

反过来讲，在运行条件突破额定工作条件时，如果要让变频器不触发停机，变频器的连续输出电流或者输出容量必须有所降低，这种现象称为变频器的降容。引起变频器降容的相关因素称为降容条件。变频器的降容与降容条件之间的函数表达关系称为变频器的降容特性或者降容曲线。

除了变频器存在降容现象外，所有与电能传输或转换的电气设备都存在降容现象。比如软起动器，接触器，开关，电机，电缆，变压器等等。

输出降容的衡量标准

如前所述，迫使变频器输出降容的根本原因是某些因素导致变频器的发热加剧。在变频器中，在靠近主要功率元件（如逆变IGBT，整流二极管或晶闸管，制动单元，或者由功率器件集成的IPM）的散热片中，埋置有测温元件，其测量的变频器的温度值以电信号（如阻值，电压，电流）的形式被输入到变频器的CPU，归算到标准值，用于对变频器热态的监控，称为变频器的热状态。在施耐德变频器的设计理念中，100%表示额定的热状态，即当变频器在额定的运行条件下连续输出电流或容量时，到达稳态后变频器的热状态；118%表示临界的热状态，当达到此值时，变频器报自身过热而停机保护。另外还可以根据应用需要设置某一百分比作为热报警的门槛值，当到达该值时，通过离散量的形式输出给控制系统，采取适当的保护动作。

所以降容的衡量标准就是在某一种或多种降容条件下，使变频器的稳定的热状态等于100%，变频器最大的连续输出电流或者输出容量的临界值。

降容条件

能够迫使变频器输出降容的条件有很多。最主要有环境温度、开关频率和海拔高度三项。

1.环境温度

这是一个最直接的因素。环境温度越高，变频器的基础温度就越高，变频器的热状态就越容易达到或超过临界值。

变频器工作的环境温度不是指气温，也不是室内的温度，而是指最靠近变频器的空间的温度。比如，当变频器安装在机柜内时，指机柜内的温度。

机柜内的温度跟机柜的空间设计和通风条件紧密相关。在变频器的技术手册中，往往规定变频器及其它电气元件的安装方式和空间布局，上下左右的通风空间，以及机柜需要安装的散热风扇的额定流量和位置等等。目的是使得变频器的环境温度保持在合理的范围以尽量避免变频器的输出降容。

在有的变频器手册内，将变频器的安装方式作为的降容条件，其实是更细化了环境温度的影响。

2.开关频率

变频器的逆变单元的发热与开关频率正相关。开关频率又称斩波频率，或者称为载波频率，是影响PWM输出波形质量的最重要的因素。开关频率越高，变频器的输出电压的谐波幅值越小，输出电流越接近于正弦波，转矩输出越平滑，电机噪声越小。

但是开关频率越高意味着IGBT接通和关断越频繁，由此带来的IGBT的损耗和发热越严重，从而引起变频器的输出降容。

3.海拔高度

变频器工作位置的海拔高度决定了空气的稀薄程度。海拔越高，空气越稀薄，空气导热系数越低，变频器散热越困难，从而引起输出降容。

当然，海拔高度影响的远不止变频器的散热。它直接影响的还有空气的介电能力。当空气稀薄时，介电能力下降，更容易引起爬电、飞弧等，对变频器内的端子、铜排等直接造成威胁。另外，海拔越高的地方，往往昼夜温差越大，容易发生凝露等。所以在变频器的技术手册内，对工作的最高海拔高度有着严格的。

举例

以ATV71H…N4变频器为例。

在特性一章中笼统地指出，设备附近的环境空气温度为50°C以内时，变频器不降容，50—60°C之间时，变频器的输出降容，但为了保证PCB的安全和正常工作，需要安装控制卡风扇工具包。环境温度超过60°C，不允许变频器工作。

在安装建议一章中，以曲线的形式描述了变频器的输出降容与环境温度及开关频率的关系。

以ATV71HD22N4和ATV71HD30N4为例截图如下：

ATV71变频器随开关频率和环境温度的降容曲线

图中绘出了在环境温度分别为40°C，50°C，60°C变频器的输出随开关频率的降容曲线。从中可以看出：

1）在环境温度为40°C时，开关频率为12KHz以下时，变频器都可以以额定容量连续输出；开关频率为12KHz以上时，随着开关频率的继续提高，变频器的连续输出能力几乎呈线性下降，最大降容至90%

2）在环境温度为50°C和60°C时，开关频率大于4KHz时，变频器的连续输出能力即线性下降，最大降容至70%和50%。

3）环境温度越高，降容越严重。

4）环境温度为两条曲线之间时的值线性插值获得。

关于海拔高度对输出的影响，亦见特性一章：海拔高度为1000m以下时，变频器连续输出不降容；海拔高度为1000—3000m之间时，每升高100m，连续输出下降1%.不建议变频器在海拔3000m以上工作。如果有超过海拔3000m以上的需求，需额外采取机柜内空气加压等措施，施耐德不做承诺。

至于环境温度和海拔高度条件都比较恶劣的场合，需综合考虑降容，简单的方法是将环境条件和海拔高度引起的降容系数相乘。

结论

本文提出了变频器输出降容的定义、量化的标准、主要的降容因素，并举例说明如何综合考虑降容系数。希望对变频器的选型及应用提供一定的参考建议。