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变频器知识大全(基础篇,控制篇,应用篇)-中国自动化网论坛

2011-05-08  yuanshanm
6楼 2010-1-26 8:30:26

变频器知识(电工必看)搞变频器维修维护的,或是厂家使用变频器的维护电工。变频器的最基本原理知识是必备的。这样搞维修的学徒不至于事事问师傅。变频器使用者在变频器出现一些故障后自己也可以初步判断一下故障原因,维修费用自然心里也比较有底。



在这里我稍微给大家粗略的说一下变频器主要原理。三相380V电网电压从变频器的L1, L2, L3输入端输入后,首先要经过变频器的整流桥整流,后经过电容的滤波,输出一大约530V左右的直流电压(这530V也就是我们常用来判断变频器整流部分好坏的最常测试点,当然整流桥最初是要经过断电测试的,断电测试我一会说)然后经过逆变电路,通过控制逆变电路的通断来输出我们想要的合适频率的电压(变频器能变频最主要的就是控制逆变电路的关断来控制输出频率)(我这里有一些基本的原理图,特简单的那种,大家若需要,可以给我发邮件,lugangya@163.com)


变频器故障有无数种,好在现在变频器都趋于智能化,一般的故障它自己都能检测,并在控制面版上显示出其代码,用户只需查一下用户手册就能初步判断其故障原因。


但有时,变频器在运行中或启动时或加负载时,突然指示灯不亮,风扇不转,无输出。这时我们初学者就不知该怎办了。其实很简单的,我们只要把变频器的电源断了。断电测试一下它的整流部分与逆变部分,大多情况下就能知其故障所在了。这里有一点要千万注意,断电后不能马上测量,因变频器里有大电容存有几百伏的高压,一定要等上十几分钟再测,这一点千万要注意。


现在我来说一下变频器上电前整流桥及逆变电路的测试。(其实其他网站也能搜到,不知大家试过没有只是方法不完全一样但原理一样)具体测量方法如下:找到变频器直流输出端的“+”与“-”,然后将万用表调到测量二极管档,黑表笔接“+”,红表笔分别接变频器的输入端L1, L2, L3端,整流桥的上半桥若是完好,万用表应显示0.3……的压降,若损坏则万用表显示“1”过量程。相反将红表笔接“-”黑表笔分别接L1, L2, L3端应得到上述相同结果,若出现“1”则证明整流桥损坏。然后测试其逆变电路,方法如下:将万用表调到电阻×10档将黑表笔接“+”红表笔接变频器的输出端U, V, W应有几十欧的阻值,反向应该无穷大。反之将红表笔接到“-”重复上述过程,应得到同样结果。
  
  这样经过测量在判断变频器的整流部分与逆变部分完好时,上电测量其直流输出端看是否有大约530V高压,注意有时万用表显示几十伏大家以为整流电路工作了,其实它并没工作,它正常工作会输出530V左右的高压,几十伏的电压是变频器内部感应出来的。若没530V左右高压这时往往是电源版有问题。上次去辽宁盘锦那台变频器就是由于电源版的一小贴片电阻被烧毁,导致电源板不工作以致使变频器无显示无输出,风扇不转,指示灯不亮。
  
  
  




   
7楼 2010-1-26 8:30:33

这样就可以初步判断出变频器是哪部分出现了故障,然后拆机维修时就可以重点测试怀疑故障部分。

最浅显的东西,希望大家不要见笑。我这里还有一些其他关于变频器及配电的资料,有需要者可以和大家共享。(主要有:变频器的日常维护维修及长期保管,通用变频器应用技术指南——变频器的日常维修与故障处理,变频调速器原理及应用,安装应用变频器时应注意的问题,通用变频器原理与变频器选用原则,电工实用技术手册,电气设计规范,电气设备试验技术问答,实用电子电气工程图算手册,电力电子学)请您留下需要的资料名,及您需要的原因,我会以最短的时间发到最需要的朋友的邮箱里

   
8楼 2010-1-26 8:31:19

常见变频器故障原因分析

过电流跳闸的原因分析

(1)重新起动时,一升速就跳闸。这是过电流十分严重的表现。
主要原因有:

1)负载侧短路

2)工作机械卡住
3)逆变管损坏
4)电动机的起动转矩过小,拖动系统转不起来

(2)重新起动时并不立即跳闸,而是在运行过程中跳闸
   可能的原因有:
   1)升速时间设定太短
   2)降速时间设定太短
   3)转矩补偿设定较大,引起低速时空载电流过大
   4)电子热继电器整定不当,动作电流设定得太小,引起误动作
电压跳闸的原因分析
(1)过电压跳闸,主要原因有:
   1)电源电压过高
   2)降速时间设定太短
   3)降速过程中,再生制动的放电单元工作不理想
  a.来不及放电,应增加外接制动电阻和制动单元
  b.放电支路发生故障,实际并不放电
(2) 欠电压跳闸,可能的原因有:
   1) 电源电压过低
   2) 电源断相
   3) 整流桥故障
电动机不转的原因分析
 (1)功能预置不当
   1)上限频率与最高频率或基本频率和最高频率设定矛盾
   2)使用外接给定时,未对\"键盘给定/外接给定\"的选择进行预置
   3)其他的不合理预置
(2)在使用外接给定时,无\"起动\"信号
(3)其它原因:
   1)机械有卡住现象
   2)电动机的起动转矩不够
   3)变频器电路故障


 

   
9楼 2010-1-26 8:31:34

变频基础知识
1、什麽是变频器?
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置
2、PWM和PAM的不同点是什麽?
PWM是英文Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制)缩写,按一定规律改变脉冲列的脉冲宽度,以调节输出量和波形的一种调值方式。PAM是英文Pulse Amplitude Modulation(脉冲幅度调制)缩写,是按一定规律改变脉冲列的脉冲幅度,以调节输出量值和波形的一种调制方式。
3、电压型与电流型有什麽不同?
变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器,直流回路的滤波是电容;电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器,其直流回路滤波石电感。
4、为什麽变频器的电压与电流成比例的改变?
非同步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的,在额定频率下,如果电压一定而只降低频率,那麽磁通就过大,磁回路饱和,严重时将烧毁电机。因此,频率与电压要成比例地改变,即改变频率的同时控制变频器输出电压,使电动机的磁通保持一定,避免弱磁和磁饱和现象的产生。这种控制方式多用於风机、泵类节能型变频器。
5、电动机使用工频电源驱动时,电压下降则电流增加;对於变频器驱动,如果频率下降时电压也下降,那麽电流是否增加?
频率下降(低速)时,如果输出相同的功率,则电流增加,但在转矩一定的条件下,电流几乎不变。
6、采用变频器运转时,电机的起动电流、起动转矩怎样?
采用变频器运转,随著电机的加速相应提高频率和电压,起动电流被限制在150%额定电流以下(根据机种不同,为125%~200%)。用工频电源直接起动时,起动电流为6~7倍,因此,将产生机械电气上的冲击。采用变频器传动可以平滑地起动(起动时间变长)。起动电流为额定电流的1.2~1.5倍,起动转矩为70%~120%额定转矩;对於带有转矩自动增强功能的变频器,起动转矩为100%以上,可以带全负载起动。
7、V/f模式是什麽意思?
频率下降时电压V也成比例下降,这个问题已在回答4说明。V与f的比例关系是考虑了电机特性而预先决定的,通常在控制器的存储装置(ROM)中存有几种特性,可以用开关或标度盘进行选择。
8、按比例地改V和f时,电机的转矩如何变化?
频率下降时完全成比例地降低电压,那麽由於交流阻抗变小而直流电阻不变,将造成在低速下产生地转矩有减小的倾向。因此,在低频时给定V/f,要使输出电压提高一些,以便获得一定地起动转矩,这种补偿称增强起动。可以采用各种方法实现,有自动进行的方法、选择V/f模式或调整电位器等方法。
9、在说明书上写著变速范围60~6Hz,即10:1,那麽在6Hz以下就没有输出功率吗?
在6Hz以下仍可输出功率,但根据电机温升和起动转矩的大小等条件,最低使用频率取6Hz左右,此时电动机可输出额定转矩而不会引起严重的发热问题。变频器实际输出频率(起动频率)根据机种为0.5~3Hz.
10、对於一般电机的组合是在60Hz以上也要求转矩一定,是否可以?
通常情况下时不可以的。在60Hz以上(也有50Hz以上的模式)电压不变,大体为恒功率特性,在高速下要求相同转矩时,必须注意电机与变频器容量的选择。
11、所谓开环是什麽意思?
给所使用的电机装置设速度检出器(PG),将实际转速反馈给控制装置进行控制的,称为“闭环”,不用PG运转的就叫作“开环”。通用变频器多为开环方式,也有的机种利用选件可进行PG反馈。
12、实际转速对於给定速度有偏差时如何办?
开环时,变频器即使输出给定频率,电机在带负载运行时,电机的转速在额定转差率的范围内(1%~5%)变动。对於要求调速精度比较高,即使负载变动也要求在近於给定速度下运转的场合,可采用具有PG反馈功能的变频器(选用件)。
13、如果用带有PG的电机,进行反馈後速度精度能提高吗?
具有PG反馈功能的变频器,精度有提高。但速度精度的植取决於PG本身的精度和变频器输出频率的解析度。

   
10楼 2010-1-26 8:31:43

14、失速防止功能是什麽意思?
如果给定的加速时间过短,变频器的输出频率变化远远超过转速(电角频率)的变化,变频器将因流过过电流而跳闸,运转停止,这就叫作失速。为了防止失速使电机继续运转,就要检出电流的大小进行频率控制。当加速电流过大时适当放慢加速速率。减速时也是如此。两者结合起来就是失速功能。
15、 有加速时间与减速时间可以分别给定的机种,和加减速时间共同给定的机种,这有什麽意义?
加减速可以分别给定的机种,对於短时间加速、缓慢减速场合,或者对於小型机床需要严格给定生产节拍时间的场合是适宜的,但对於风机传动等场合,加减速时间都较长,加速时间和减速时间可以共同给定。
16、 什麽是再生制动?
电动机在运转中如果降低指令频率,则电动机变为非同步发电机状态运行,作为制动器而工作,这就叫作再生(电气)制动。
17 、是否能得到更大的制动力?
从电机再生出来的能量贮积在变频器的滤波电容器中,由於电容器的容量和耐压的关系,通用变频器的再生制动力约为额定转矩的10%~20%。如采用选用件制动单元,可以达到50%~100%。
18 、转矩提升问题
自控系统的设定信号可通过变频器灵活自如地指挥频率变化,控制工艺指标,如在烟草行业的糖料、香料工序,可由皮带称的流量信号来控制变频器频率,使泵的转速随流量信号自动变化,调节加料量,均匀地加入香精、糖料。也可利用生产线起停信号通过正、反端子控制变频器的起、停及正、反转,成为自动流水线的一部分。此外在流水生产线上,当前方设备有故障时後方设备应自动停机。变频器的紧急停止端可以实现这一功能。在SANKEN、MF、FUT和FVT系列变频器中可以预先设定三四个甚至多达七个频率,在有些设备上可据此设置自动生产流程。设定好工作频率及时间後,变频器可使电机按顺序在不同的时间以不同的转速运行,形成一个自动的生产流程
19、电机超过60HZ时应注意什么问题?
1)机械和装置在该转速下运转要充分可能(机械强度、噪声、振动等)
2)电机进入恒功率输出范围,其输出转矩要能够维修工作(风机、泵等轴输出功率与速度的立方成比例增加,所以转速少许升高时也要注意)
3)产生轴承寿命问题,要充分加以考虑。
4)对于中容量以上的电机特别是2极电机,在60HZ以上运转时要特别注意。
20、要想高原有输送带的速度,以80HZ运转,变频器的容量该怎样选择?
设基准速度为50HZ,50HZ以上为恒功率输出特性。像输送带这样的恒转矩负载增速时,容量需要增大为80/50=1。6倍。电机容量也像变频器一样增大。
21、 想使两台2。2KW、4极电机顺序起动,用一台变频器传动时容量应怎样考虑?
如果两台2。2KW的电机同时起动、同时停止,设2。2KW的额定电流为10A,那么以两倍的20A计算用5。5KW(额定电流24A)的变频器就足够了。顺序起动时,第2台电机起动所需要的电流,相当于全压起动,以额定值的6倍计算,则需要能承受的过电流为(10+6X10)A=70A的变频器,即以15KW以上,因此,用一台变频器进行顺序起动在价格、大小方面没有优势,以采用两台单独的变频器为好。
22、什么是变频器分辨率?有什么意义?
对于数字控制器的变频器,即使频率指令为模拟信号,输出频率也是有级给定。这个级差的最小单位就称为变频分辨率。
变频分辨率通常取值为0。015~0。5HZ。例如,分辨率为0。5HZ,那么23HZ的上面可变频23。5、24。0HZ,因此电机的动作也是有级的跟随。这样对于像连续卷取控制的用途就造成问题,在这种情况下,如果分辨率为0。015HZ左右,对于4极电机1个级差为1RPM以下,也可充分适应。另外,有的机种给定分辨率与输出分辨率不相同。
24、 不采用软起动,将电机直接投入到某固定频率的变频器时是否可以?
在很低的频率下是可以的,但如果给定频率高则同工频电源直接起动的条件相近。将流过大的起动电流(6~7倍额定电流),由于变频器切断过电流,电机不能起动

   
11楼 2010-1-26 8:32:26

西门子变频器的调整方法

本文从控制方式的选择、加减速时间调整和转动惯量设置等方面对西门子micromaster 440变频器参数设置进行了简单的探讨。实际上,该变频器的设置有几千个,只有系统地、合适地、准确地设置参数才能充分利用变频器性能。
引言

  近十多年来,随着大规模集成电路、计算机控制技术以及现代控制理论的发展,特别是矢量控制技术的应用,使得交流变频调速技术逐步具备了宽调速范围、高稳速精度、快动态响应,以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能,调速特性可与直流电气传动相媲美。在交流调速技术中,由于变频调速的调速性能与可靠性等性能在不断完善,价格也在不断降低,特别是它的节电效果明显,实现交流电机调速极为方便,因此,在一切需要速度控制的场合,变频器以其操作方便、体积小、控制性能高而获得广泛的应用。变频器在使用中出现的一些问题,很多情况下都是因为变频器参数设置不当引起的。西门子micromaster 440变频器可设置的参数有几千个,只有系统地、合适地、准确地设置参数才能充分利用变频器性能。

1、控制方式选择
  变频器控制方式的选择由负荷的力矩特性所决定,电动机的机械负载转矩特性根据下列关系式决定:

p= t n/ 9550

式中:p--电动机功率(kw)
t--转矩(n·m)
n--转速(r/ min)
  转矩t与转速n的关系根据负载种类大体可分为3种。

  (1) 即使速度变化转矩也不大变化的恒转矩负载,此类负载如传送带、起重机、挤压机、压缩机等。

  (2) 随着转速的降低,转矩按转速的平方减小的负载。此类负载如风机、各种液体泵等。

  (3) 转速越高,转矩越小的恒功率负载。此类负载如轧机、机床主轴、卷取机等。

 

   
12楼 2010-1-26 8:32:56

 变频器提供的控制方式有v/f控制、矢量控制、力矩控制。v/f控制中有线性v/f控制、抛物线特性v/f控制。将变频器参数p1300设为0,变频器工作于线性 v/f控制方式,将使调速时的磁通与励磁电流基本不变。适用于工作转速不在低频段的一般恒转矩调速对象。
  将p1300设为2,变频器工作于抛物线特性v/f控制方式,这种方式适用于风机、水泵类负载。这类负载的轴功率n近似地与转速n的3次方成正比。其转矩m近似地与转速n的平方成正比。对于这种负载,如果变频器的v/f特性是线性关系,则低速时电机的许用转矩远大于负载转矩,从而造成功率因数和效率的严重下降。为了适应这种负载的需要,使电压随着输出频率的减小以平方关系减小,从而减小电机的磁通和励磁电流,使功率因数保持在适当的范围内。
  可以进一步通过设置参数使v/f控制曲线适合负载特性。将p1312在0至250之间设置合适的值,具有起动提升功能。将低频时的输出电压相对于线性的v/f曲线作适当的提高以补偿在低频时定子电阻引起的压降导致电机转矩减小的问题。适用于大起动转矩的调速对象。
  变频器v/f控制方式驱动电机时,在某些频率段,电机的电流、转速会发生振荡,严重时系统无法运行,甚至在加速过程中出现过电流保护,使得电机不能正常启动,在电机轻载或转矩惯量较小时更为严重。可以根据系统出现振荡的频率点,在v/f曲线上设置跳转点及跳转频带宽度,当电机加速时可以自动跳过这些频率段,保证系统能够正常运行。从p1091至p1094可以设定4个不同的跳转点,设置p1101确定跳转频带宽度。
 

   
13楼 2010-1-26 8:33:13

有些负载在特定的频率下需要电机提供特定的转矩,用可编程的v/f控制对应设置变频器参数即可得到所需控制曲线。设置p1320、p1322、p1324确定可编程的v/f 特性频率座标,对应的p1321、p1323、p1325为可编程的v/f 特性电压座标。
  参数p1300设置为20,变频器工作于矢量控制。这种控制相对完善,调速范围宽,低速范围起动力矩高,精度高达0.01%,响应很快,高精度调速都采用svpwm矢量控制方式。
  参数p1300设置为22,变频器工作于矢量转矩控制。这种控制方式是目前国际上最先进的控制方式,其他方式是模拟直流电动机的参数,进行保角变换而进行调节控制的,矢量转矩控制是直接取交流电动机参数进行控制,控制简单,精确度高。

2、快速调试
  在使用变频器驱动电机前,必须进行快速调试。参数p0010设为1、p3900设为1,变频器进行快速调试,快速调试完成后,进行了必要的电动机数据的计算,并将其它所有的参数恢复到它们的缺省设置值。在矢量或转矩控制方式下,为了正确地实现控制,非常重要的一点是,必须正确地向变频器输入电动机的数据,而且,电动机数据的自动检测参数p1910必须在电动机处于常温时进行。当使能这一功能 (p1910 =1)时,会产生一个报警信号a0541,给予警告,在接着发出on 命令时,立即开始电动机参数的自动检测。

 

   
14楼 2010-1-26 8:33:25

3、加减速时间调整
  加速时间就是输出频率从0上升到最大频率所需时间,减速时间是指从最大频率下降到0所需时间。加速时间和减速时间选择的合理与否对电机的起动、停止运行及调速系统的响应速度都有重大的影响。加速时间设置的约束是将电流限制在过电流范围内,不应使过电流保护装置动作。电机在减速运转期间,变频器将处于再生发电制动状态。传动系统中所储存的机械能转换为电能并通过逆变器将电能回馈到直流侧。回馈的电能将导致中间回路的储能电容器两端电压上升。因此,减速时间设置的约束是防止直流回路电压过高。加减速时间计算公式为:

加速时间:ta=(jm+jl)n/9.56(tma-tl)
减速时间:tb=(jm+jl)n/9.56(tmb-tl)

式中:jm 一 电机的惯量
jl - 负载惯量
n - 额定转速
tma- 电机驱动转矩
tmb - 电机制动转矩
tl - 负载转矩
  加减速时间可根据公式算出来,也可用简易试验方法进行设置。首先,使拖动系统以额定转速运行(工频运行),然后切断电源,使拖动系统处于自由制动状态,用秒表计算其转速从额定转速下降到停止所需要的时间。加减速时间可首先按自由制动时间的1/2~1/3进行预置。通过起、停电动机观察有无过电流、过电压报警,调整加减速时间设定值,以运转中不发生报警为原则,重复操作几次,便可确定出最佳加减速时间。

4、转动惯量设置
  电机与负载转动惯量的设置往往被忽视,认为加减速时间的正确设置可保证系统正常工作。其实,转动惯量设置不当会使得系统振荡,调速精度也会受到影响。转动惯量公式:

j=t/dω/dt
  电机与负载转动惯量的获得方法一样,让变频器工作频率在合适的值,5~10hz。分别让电机空载和带载运行,读出参数r0333额定转矩和r0345电动机的起动时间,再将变频器工作频率换算成对应的角速度,代入公式,计算得出电机与负载转动惯量。设置参数p0341(电动机的惯量)与参数p0342(驱动装置总惯量 / 电动机惯量的比值),这样变频器就能更好的调速。

   
15楼 2010-1-26 8:37:22

快恢复二极管是指反向恢复时间很短的二极管(5us以下),工艺上多采用掺金措施,结构上有采用PN结型结构,有的采用改进的PIN结构。其正向压降高于普通二极管(1-2V),反向耐压多在1200V以下。从性能上可分为快恢复和超快恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长,后者则在100纳秒以下。
肖特基二极管是以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管,简称肖特基二极管(Schottky Barrier Diode),具有正向压降低(0.4--0.5V)、反向恢复时间很短(10-40纳秒),而且反向漏电流较大,耐压低,一般低于150V,多用于低电压场合。
这两种管子通常用于开关电源
肖特基二极管和快恢复二极管区别:前者的恢复时间比后者小一百倍左右,前者的反向恢复时间大约为几纳秒~!
前者的优点还有低功耗,大电流,超高速~!电气特性当然都是二极管阿~!
快恢复二极管在制造工艺上采用掺金,单纯的扩散等工艺,可获得较高的开关速度,同时也能得到较高的耐压.目前快恢复二极管主要应用在逆变电源中做整流元件.

肖特基二极管:反向耐压值较低40V-50V,通态压降0.3-0.6V,小于10nS的反向恢复时间。它是具有肖特基特性的“金属半导体结”的二极管。其正向起始电压较低。其金属层除材料外,还可以采用金、钼、镍、钛等材料。其半导体材料采用硅或砷化镓,多为N型半导体。这种器件是由多数载流子导电的,所以,其反向饱和电流较以少数载流子导电的PN结大得多。由于肖特基二极管中少数载流子的存贮效应甚微,所以其频率响仅为RC时间常数限制,因而,它是高频和快速开关的理想器件。其工作频率可达100GHz。并且,MIS(金属-绝缘体-半导体)肖特基二极管可以用来制作太阳能电池或发光二极管。
快恢复二极管:有0.8-1.1V的正向导通压降,35-85nS的反向恢复时间,在导通和截止之间迅速转换,提高了器件的使用频率并改善了波形。快恢复二极管在制造工艺上采用掺金,单纯的扩散等工艺,可获得较高的开关速度,同时也能得到较高的耐压.目前快恢复二极管主要应用在逆变电源中做整流元件

   
16楼 2010-1-26 8:38:08

IGBT在不间断电源中的应用1. 引言
在 UPS 中使用的功率器件有双极型功率晶体管、功率 MOSFET 、可控硅和 IGBT , IGBT 既有功率 MOSFET 易于驱动,控制简单、开关频率高的优点,又有功率晶体管的导通电压低,通态电流大的优点、使用 IGBT 成为 UPS 功率设计的首选,只有对 IGBT 的特性充分了解和对电路进行可靠性设计,才能发挥 IGBT 的优点。本文介绍 UPS 中的 IGBT 的应用情况和使用中的注意事项。
2. IGBT 在 UPS 中的应用情况
绝缘栅双极型晶体管( IGBT )是一种 MOSFET 与双极晶体管复合的器件。据东芝公司资料, 1200V/100A 的 IGBT 的导通电阻是同一耐压规格的功率 MOSFET 的 1/10 ,而开关时间是同规格 GTR 的 1/10 。由于这些优点, IGBT 广泛应用于不间断电源系统( UPS )的设计中。这种使用 IGBT 的在线式 UPS 具有效率高,抗冲击能力强、可靠性高的显著优点。
UPS 主要有后备式、在线互动式和在线式三种结构。在线式 UPS 以其可靠性高,输出电压稳定,无中断时间等显著优点,广泛用于通信系统、税务、金融、证券、电力、铁路、民航、政府机关的机房中。本文以在线式为介绍对象,介绍 UPS 中的 IGBT 的应用。
图 1 为在线式 UPS 的主电路,在线式 UPS 电源具有独立的旁路开关、 AC/DC 整流器、充电器、 DC/AC 逆变器等系统,工作原理是:市电正常时 AC/DC 整流器将交流电整流成直流电,同时对蓄电池进行充电,再经 DC/AC 逆变器将直流电逆变为标准正弦波交流电,市电异常时,电池对逆变器供电,在 UPS 发生故障时将输出转为旁路供电。在线式 UPS 输出的电压和频率最为稳定,能为用户提供真正高质量的正弦波电源。

图 1 在线式不间断电源主电路图
①旁路开关( AC BYPASS SWITCH )
旁路开关常使用继电器和可控硅。继电器在中小功率的 UPS 中广泛应用。优点是控制简单,成本低,缺点是继电器有转换时间,还有就是机电器件的寿命问题。可控硅常见于中大功率 UPS 中。优点是控制电流大,没有切换时间。但缺点就是控制复杂,且由于可控硅的触发工作特性,在触发导通后要在反向偏置后才能关断,这样就会产生一个最大 10ms 的环流电流,如图 2 。如果采用 IGBT ,如图 3 ,则可以避免这个问题,使用 IGBT 有控制简单的优点,但成本较高。其工作原理为:当输入为正半周时,电流流经 Q1 、 D2 ,负半周时电流流经 D1 、 Q2 。

图 2 : SCR 的延时关断现象图  图 3 :应用 IGBT 的旁路开关
②整流器 AC/DC
UPS 整流电路分为普通桥堆整流、 SCR 相控整流和 PFC 高频功率因数校正的整流器。传统的整流器由于基频为 50HZ ,滤波器的体积重量较重,随着 UPS 技术的发展和各国对电源输入功率因数要求,采用 PFC 功率因数校正的 UPS 日益普及, PFC 电路工作的基频至少 20KHZ ,使用的滤波器电感和滤波电容的体积重量大大减少,不必加谐波滤波器就可使输入功率因数达到 0.99 , PFC 电路中常用 IGBT 作为功率器件,应用 IGBT 的 PFC 整流器是有效率高、功率容量大、绿色环保的优点。
③充电器
UPS 的充电器常用的有反激式、 BOOST 升压式和半桥式。大电流充电器中可采用单管 IGBT ,用于功率控制,可以取得很高的效率和较大的充电电流。
④ DC/AC 逆变器
3KVA 以上功率的在线式 UPS 几乎全部采用 IGBT 作为逆变部分的功率器件,常用全桥式电路和半桥电路,如下图 4 。

3. IGBT 损坏的原因
UPS 在使用过程中,经常受到容性或感性负载的冲击、过负荷甚至负载短路等,以及 UPS 的误操作,可能导致 IGBT 损坏。 IGBT 在使用时的损坏原因主要有以下几种情况:
    [li]过电流损坏;

   
17楼 2010-1-26 8:38:21

IGBT 有一定抗过电流能力,但必须注意防止过电流损坏。 IGBT 复合器件内有一个寄生晶闸管,所以有擎住效应。图 5 为一个 IGBT 的等效电路,在规定的漏极电流范围内, NPN 的正偏压不足以使 NPN 晶体管导通,当漏极电流大到一定程度时,这个正偏压足以使 NPN 晶体管开通,进而使 NPN 和 PNP 晶体管处于饱和状态,于是寄生晶闸管开通,门极失去了控制作用,便发生了擎住效应。 IGBT 发生擎住效应后,漏极电流过大造成了过高的功耗,最后导致器件的损坏。 [/li][li]过电压损坏;
IGBT 在关断时,由于逆变电路中存在电感成分,关断瞬间产生尖峰电压,如果尖峰电压过压则可能造成 IGBT 击穿损坏。 [/li][li]桥臂共导损坏; [/li][li]过热损坏和静电损坏。 [/li]4. IGBT 损坏的解决对策
 

    [li]过电流损坏
    为了避免 IGBT 发生擎住效应而损坏,电路设计中应保证 IGBT 的最大工作电流应不超过 IGBT 的 IDM 值,同时注意可适当加大驱动电阻 RG 的办法延长关断时间,减小 IGBT 的 di/dt 。驱动电压的大小也会影响 IGBT 的擎住效应,驱动电压低,承受过电流时间长, IGBT 必须加负偏压, IGBT 生产厂家一般推荐加 -5V 左右的反偏电压。在有负偏压情况下,驱动正电压在 10 — 15V 之间,漏极电流可在 5 ~ 10 μ s 内超过额定电流的 4 ~ 10 倍,所以驱动 IGBT 必须设计负偏压。由于 UPS 负载冲击特性各不相同,且供电的设备可能发生电源故障短路,所以在 UPS 设计中采取限流措施进行 IGBT 的电流限制也是必须的,可考虑采用 IGBT 厂家提供的驱动厚膜电路。如 FUJI 公司的 EXB841 、 EXB840 ,三菱公司的 M57959AL , 57962CL ,它们对 IGBT 的集电极电压进行检测,如果 IGBT 发生过电流,内部电路进行关闭驱动。
    这种办法有时还是不能保护 IGBT ,根据 IR 公司的资料, IR 公司推荐的短路保护方法是:首先检测通态压降 Vce ,如果 Vce 超过设定值,保护电路马上将驱动电压降为 8V ,于是 IGBT 由饱和状态转入放大区,通态电阻增大,短路电路减削,经过 4us 连续检测通态压降 Vce ,如果正常,将驱动电压恢复正常,如果未恢复,将驱动关闭,使集电极电流减为零,这样实现短路电流软关断,可以避免快速关断造成的过大 di/dt 损坏 IGBT ,另外根据最新三菱公司 IGBT 资料,三菱推出的 F 系列 IGBT 的均内含过流限流电路( RTC circuit ),如图 6 ,当发生过电流, 10us 内将 IGBT 的启动电压减为 9V ,配合 M57160AL 驱动厚膜电路可以快速软关断保护 IGBT 。

    图 5 : IGBT 等效电路图  图 6 三菱 F 系列 IGBT 的 RCT 电路 [/li][li]过电压损坏
    防止过电压损坏方法有:优化主电路的工艺结构,通过缩小大电流回路的路径来减小线路寄生电感;适当增加 IGBT 驱动电阻 Rg 使开关速度减慢(但开关损耗也增加了);设计缓冲电路,对尖峰电压进行抑制。用于缓冲电路中的二极管必须是快恢复的二极管,电容必须是高频、损耗小,频率特性好的薄膜电容。这样才能取得好的吸收效果。常见电路有耗能式和回馈式缓冲电路。回馈式又有无源式和有源式两种,详细电路设计可参见所选用器件的技术手册。 [/li][li]桥臂共导损坏
    在 UPS 中,逆变桥同臂支路两个驱动必须是互锁的,而且应该设置死区时间(即共同不导通时间)。如果发生共导, IGBT 会迅速损坏。在控制电路应该考虑到各种运行状况下的驱动问题控制时序问题。 [/li][li]过热损坏
    可通过降额使用,加大散热器,涂敷导热胶,强制风扇制冷,设置过温度保护等方法来解决过热损坏的问题。 [/li]

此外还要注意安装过程中的静电损坏问题,操作人员、工具必须进行防静电保护。
5. 结论
 

    [li]IGBT 兼具有功率 MOSFET 和 GTR 的优点,是 UPS 中的充电、旁路开关、逆变器,整流器等功率变换的理想器件。 [/li][li]只有合理运用 IGBT ,并采取有效的保护方案,才可能提高 IGBT 在 UPS 中的可靠性。[/
   

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