变频器在STATCOM风冷循环系统的应用

赵 品 ，于维平 ，蒋广杰

（1.东方电子集团有限公司，山东 烟台 264000；2.东方电子股份有限公司，山东 烟台 264000）

0 引言

电子元器件都有其工作温度的上限，任何设计精良的电子设备在长期过热及不均匀热应力的情况下都会发生故障或失效［1-2］。电子器件的温度每升高10℃，其可靠性就会降低50%［2-3］。目前，国内已投运的大容量静止同步补偿器（STATCOM）散热系统大多数采用风冷循环，只有少数大容量装置使用水冷循环系统［4-5］。风冷循环系统通过风道对链节单元中的电力电子器件进行降温［6-7］。IGBT是STATCOM装置的核心电力电子器件，其PN结工作温度的上限一般是175℃，IGBT温度过高后，PN结极易损坏，对装置造成严重故障［8-10］。如何设计冷却系统，使IGBT工作在适宜温度且实现装置的高性价比成为STATCOM装置的关键技术点之一［11-12］。

传统的风冷循环控制系统包括自动控制和手动控制2种模式［13］。自动控制模式中，当装置检测IGBT温度超过设定阈值，启动风机；当装置检测IGBT温度低于设定阈值，风机停止。手动控制模式中，风机一直工作在启动状态［14-15］。由于风机功率选择大都是按链节单元最大功耗进行设计的，传统的风机控制模式使风机工作在停止和最大功率2种工作状态，风机的频繁启动不仅带来较大的噪音，造成能源的浪费［15］，还造成IGBT工作环境温度波动较大，缩短器件的使用寿命，极易出现设备故障［9］。

设计冷却循环系统如图1所示，主要由风机、变频器、温度检测单元和控制器构成。温度检测单元安装在链节单元中，用于IGBT温度的实时检测，并通过光纤上传到控制器，控制器接收到温度信号后，经过计算直接控制变频器的输出频率，从而控制风机转速，达到对IGBT温度的直接控制。

图1 冷却循环系统

1 链接单元结构

冷却循环系统链节单元结构如图1（a）所示。温度信号转换模块主要由A/D转换模块、温度计算模块和数据编码模块构成，实现温度等其他模拟信号的采集、编码并通过光纤上传数据到控制器单元中。

1.1 A/D转换模块

A/D转换模块实现IGBT内部热敏电阻阻值的采集，具体实现电路如图2所示。其中，通过电阻分压电路，实现电阻电压的转换，通过AD7896采样芯片实现电压的采集。

1.2 温度计算

由于采集到的信号是电压信号，IGBT热敏电阻呈现非线性，需要通过计算将电压信号还原成温度量。其中，热敏电阻阻值与温度的关系为

式中：T为当前IGBT内核温度，℃；R25为热敏电阻25℃时的基准值，此处R25=5 kΩ；Rntc为当前热敏电阻的电阻值，Ω；B为热敏电阻的材料常数，为一变参数，如表1所示；K25为25℃对应的开尔文温度值，K25=298.15，K。

表1 变参数B与Rntc的对应关系

由图2可知，AD采样得到的电压值为

式中：R77＝4.7 kΩ。

由式（1）和式（2）可得

1.3 数据编码

由于信号通过光纤串行传输到控制器，考虑到链节单元需要传输多种数据，故对数据进行统一编码进行传输。

其中，bit15～bit12为功能码，bit11～bit0为数据区。具体信息如表2所示。

图2 热敏电阻端压值采集电路

表2 数据编码详细列表

由表2可知，当功能码为0001时，此时数据代表温度信号值，为增加温度信号的精确度，此处传递的信号扩大了10倍。

2 控制器风速控制策略

2.1 控制器控制策略

控制器控制结构与策略分别如图1（b）和图3所示。通过光纤接收链节单元IGBT温度数据，计算N个链节单元中IGBT温度的平均值Tave并记录链节IGBT温度最大值Tmax和单元序号。当Tmax与Tave的差值大于设定值Toff时，认为此链节单元散热部分出现异常，发出链节散热故障信号。控制器根据IGBT温度计算风速，从而计算出变频器频率值FHz。当FHz超过频率设定值Fset1时，发出清洁风道信号，提醒用户及时清洗风道。当FHz超过频率设定值Fset2时，发出冷却循环系统异常故障信号，提醒用户冷却循环系统出现异常。

图3 控制策略流程

2.2 变频器频率计算

链节单元IGBT温度和多种因素都有关系，例如散热片尺寸，风道进风口面积，风机风量等。不考虑IGBT本身和固定因素的影响，风机风量Q可以用公式（4）来表示。

式中：Q为所需风量，m3/h；v为链节单元散热器出风口最低风速，m/s；s为链节单元散热器截面积，m2；n为链节单元个数；k为风道风阻系数，一般取值为1.05～1.15。由于链节单元个数和链节单元散热器截面积s已知（与硬件配置有关，可直接测量），IGBT散热效果和链节单元散热器出风口风速有直接关系。设计值时，应考虑设备输出最大容量时的功耗。通过式（4）可以得到风机风量。在理想情况下，风机风量正比于风机转速，正比于变频器输出频率，可以设计PI控制器，如图4所示，计算得到变频器输出频率FHz。

图4 变频器频率控制器

3 数据对比

为了验证方案的有效性，在链节单元对冲试验时对方案进行了试验验证，试验装置如图5所示。方案Ⅰ：风机工作在自动控制模式，当IGBT温度高于50℃时，风机启动（风机最低运行时间为5 min），IGBT温度低于45℃时，风机停止，风机运行频率固定在50 Hz。方案Ⅱ：采用本文设计的控制方案，控制IGBT温度为50℃，风机运行频率在［0～60 Hz］连续可调。在各个输出容量下，记录风机启动后连续工作2 h的数据。通过表3数据对比可知，由于方案Ⅰ风机转速固定，IGBT温度区间范围较大。当输出容量小时，风机启停频繁，噪音较大，此时，IGBT损耗较小，风机启动后，通过散热通道对链节单元降温，单元温度会快速降低，IGBT温度会很快得到控制；当输出容量大时，IGBT损耗增大，风机短时启动不能快速降低IGBT温度，风机会一直运行，IGBT温度会慢慢升高，直到IGBT损耗和装置散热均衡，IGBT温度稳定在一个较高的温度，会降低IGBT运行的可靠性。由于方案Ⅱ风机转速可调，方案Ⅱ的IGBT温度区间较小。当输出容量小时，风机转速较低，噪音较小；当输出容量大时，风机转速增高，IGBT温度基本保持不变。

表3 冷却方案不同，输出不同容量时，数据对比

图5 STATCOM装置和对冲试验

4 结语

针对传统STATCOM风冷循环系统进行了改进，通过采取IGBT单元内部热敏电阻值计算IGBT温度，控制风机转速达到对IGBT单元温度的直接控制，确保IGBT工作在最佳温度状态；变频器的引入避免了风机的频繁启停，提高了风机使用寿命，降低了装置噪音。该冷却循环控制系统已经在STATCOM上应用，有效地降低了IGBT过温引起的设备故障，对装置风道维护起到了一定的指导作用，对于风冷循环设备有较高的参考价值。