变频器相模块触桥改造为铜排连接的分析

曹哲 邓强

摘要：在2014年前后，国产电压型变频器的功率单元多采用触桥式连接，该类型的连接方式的最大优点是易于现场维护，当设备故障时，维修速度明显提升。但由于该种连接方式对现场装备的要求较高，需要专业人员进行装备，如果安装偏差较大，会造成触桥接触不稳定，当变频器整流部分运行高电流时候，整流模块直流输出母排与柜体直流母排的连接触桥处运行时过热烧毁后飞弧，飞弧时喷溅的铜屑破坏设备绝缘，导致设备内部出现短路，进而使得功率单元发生故障停机。触桥式连接对于各个器件的制作工艺要求非常高，对拆卸后的安装工艺要求也较高，为了解决这一问题，可以将触桥式连接整改为铜排的直接连接，铜排连接更加稳定、可靠、安全，可避免周围环境震动而移位，另外铜排载流量更加大，同时散热性能也会更好。本文主要探讨相模块直流输出采用触桥式连接和铜排直接连接的性能对比，将触桥连接整改为铜排直接连接之后的稳定性的提升和故障率的降低。

关键词： 电压型变频器  相模块  触桥  铜排

0 前言

电压型变频器的结构由三部分组成，整流、滤波和逆变三部分，整流部分的相模块输出端采用的是触桥式连接，该类型的连接方式多为插拔式，在后期运行维护中更加方便，只需将相模块上相关外接线拆掉，就可将模块整体拔出。但是由于该种插拔式连接对于安装工艺要求较高，如果安装位置偏差较大就会造成触桥连接出现过热、烧毁现象;通过结构地优化改造，将触桥连接取消更改为铜排直连，可以解决接触不稳定、温度过热等情况，尽管在后期维护时，空间受限，施工不方便，但是加之铜排本身稳定的特性，可以有效地提高变频器的稳定性，减少故障率。

1 现象描述及分析

变频器设备在长期运行过程中发现，整流单元相模块出现频繁故障，而故障位置多集中于相模块输出端，整改前的设备在该位置采用的是触桥式连接方式，将模块拆卸下来后可以发现，连接表带出现了烧糊痕迹，并带有飞弧时喷溅的铜屑。

出现故障的位置是一种触桥型式的弹性连接，检查时发现该处连接点的直流正母排被烧毁，负母排良好无损伤。根据这一现象分析故障原因是由于厂内设备组装时个别位置工艺控制较差。整流模块直流正母排与触桥之间的装配配合不佳。设备长期运行时一侧的触桥因为接触不良发生过热变形。

触桥安装时公板应插入母板的中间位置，公板两侧距母板的间隙误差大于0.5mm。触桥在公板插入后压缩，标准压缩量应该在1.65-1.95mm之间。如果公板在装配时没有控制好工艺时，公板整体偏向一侧就会导致另一侧的触桥压缩量不足，导致接触电阻增大，发热量增加。

该故障点的触桥是整个设备内部电流负荷最大的触桥，触桥在工作时的负荷电流波形如下图1：

图1是在故障时刻触桥上的实际负荷电流值AC：610Arms/1.2KApeak。产品满负荷运行时的电流值AC：906Arms/1.78KApeak。而该触桥的设计容量为AC：1.6KArms/2.3KApeak。实际运行电流小于设计容量。但由于装配精度不够，或者触桥与表带接触不够贴合、可靠的话，该部分裕量将会被吃掉，从而造成相模块故障。

2 整改方案

铜排，是指利用高导电率的铜材料制作的，被用来连接电器设备，并且传输电能，具有汇聚、分散、传送电能的长导体。铜排在很多工程的实际应用中，被作为信号传递元件，具备良好的可扩展性、安全性，同时由于铜排电流密度相对较大，电阻较小，集肤效应小，能量损耗小，使其具有良好的导电性、导热性以及良好的机械性能，其结构性能、热性能等各项参数的选择设置占领着举足轻重的地位，尤其在电子设备连接中，特别是很多成套的装置中得到了非常广泛的应用。在相模块的改造中，铜排的连接方式采用固定连接，即按照一定的技术要求，通过螺栓、螺柱等将母排固定在一起的连接形式。

因此为降低人为控制装配精度，将原来的直流母排触桥弹性连接方案更改为铜排直连，提高连接的可靠性。具体方法如下：

将直流输出正负母排更改为U型包覆母排，一端固定在模块内部散热器上，一端设腰型孔留做外部连接接口;正负母排之间用绝缘件固定;在模块封板上设四个固定点，与柜体内的母板固定板连接

3 理论验证

而将相模块触桥连接方式更改后，我们需要再从两个方面去验证该整改是否能够稳定、可靠地运行，即需评估换流回路对关断尖峰的影响，目标是确保电压尖峰不超过安全值、且有较大裕量;另外，从理论来讲，只要铜排载流面积够，铜排搭接面积够，紧固力够，长期通流就可以保证，但需要通过理论设计进行论证。

3.1 对换流回路的影响

取消表带后并没有显著增加回路长度，回路电感不会增加，不会导致关断电压尖峰增加。

1）改铜排后的换流测试

对无表带方案样机进行换流试验，观测电压尖峰情况是否符合要求。

试验数据如下见下表1，

两个电压尖峰的定义见下图2，

2）试验数据分析

从试验数据可以看到，在3000A关断的时候，电压尖峰最高3437V，而器件能耐受的最大尖峰是3800V，有300多V的裕量。另外，实际工况中的最大电流不到3000A，不超过2500A。所以，无表带方案的IEGT关断是非常安全的。

3.2 能否长期稳定的通电流

1）载流面积

铜排横截面5*150，额定载流量1950A，实际工况中直流母排电流不超过1000A，裕度系数1.95

2）搭接面

搭接面积35*150，是铜排横截面积的7倍，在紧固力矩足够的情况下，载流量不低于8000A

3）搭接面螺栓紧固

搭接面4个M12*30内六角螺栓紧固，力矩70N.m，这个设计的依据来自公司内部标准，要高于国家标准，所以更具稳定性。

所以，通过以上试验数据论证，加之对铜排方案的电气性能论证，此方案可行，完全满足相模块的运行需求。

4 结论

本文对变频器整流单元相模块的整改进行了讨论分析，相模块输出采用触桥式连接在维护和安装过程中更为方便快捷，但由于工装精度以及安装精度的限制，会使得在长期运行过程中弹簧无法正常弹回、接触不均匀，加之封装的结构，散热也会存在问题，进而影响载流量，严重时由于过热烧毁后飞弧，喷溅的铜屑破坏设备绝缘而导致内部出现短路现象。

将触桥式连接方式改为铜排连接，由于铜排自身具有良好的导电性、导热性以及良好的机械性能，进而使相模塊输出连接更加稳定可靠，通过对环流回路影响的计算以及理论分析载流量等影响，确认整改后的铜排连接完全满足变频的稳定运行，其可靠性、安全性完全符合标准。

参考文献

[1] 刘向军，费俊洪.电接触的接触电阻研究进展[J].上海电器技术，1993，（3）：3-7

[2] 谢力华，苏彦民.逆变电源的并联运行控制技术[J].电力电子技术，2000，34（4）：1-3