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過電流保護

在變頻器維修中,過電流保護的對象主要指帶有突變性質(zhì)的、電流的峰值超過了變頻器的容許值的情形.

由于逆變器的過載能力較差,所以變頻器的過電流保護是至關(guān)重要的一環(huán),迄今為止,已發(fā)展得十分完善.

一,、過電流的原因

1,、工作中過電流即拖動系統(tǒng)在工作過程中出現(xiàn)過電流.其原因大致來自以下幾方面:

① 電動機遇到?jīng)_擊負載,或傳動機構(gòu)出現(xiàn)“卡住”現(xiàn)象,引起電動機電流的突然增加.

② 變頻器的輸出側(cè)短路,如輸出端到電動機之間的連接線發(fā)生相互短路,或電動機內(nèi)部發(fā)生短路等.

③ 變頻器自身工作的不正常,如逆變橋中同一橋臂的兩個逆變器件在不斷交替的工作過程中出現(xiàn)異常。例如由于環(huán)境溫度過高,,或逆變器件本身老化等原因,,使逆變器件的參數(shù)發(fā)生變化,導(dǎo)致在交替過程中,,一個器件已經(jīng)導(dǎo)通,、而另一個器件卻還未來得及關(guān)斷,引起同一個橋臂的上,、下兩個器件的“直通”,,使直流電壓的正、負極間處于短路狀態(tài),。

2,、升速時過電流 當(dāng)負載的慣性較大,而升速時間又設(shè)定得太短時,,意味著在升速過程中,,變頻器的工作效率上升太快,電動機的同步轉(zhuǎn)速迅速上升,,而電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速因負載慣性較大而跟不上去,,結(jié)果是升速電流太大。

3,、降速中的過電流 當(dāng)負載的慣性較大,,而降速時間設(shè)定得太短時,,也會引起過電流。因為,,降速時間太短,,同步轉(zhuǎn)速迅速下降,而電動機轉(zhuǎn)子因負載的慣性大,,仍維持較高的轉(zhuǎn)速,這時同樣可以是轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線的速度太大而產(chǎn)生過電流,。

二,、處理方法

1、 起動時一升速就跳閘,,這是過電流十分嚴重的現(xiàn)象,,主要檢查

① 工作機械有沒有卡住

② 負載側(cè)有沒有短路,用兆歐表檢查對地有沒有短路

③ 變頻器功率模塊有沒有損壞

④ 電動機的起動轉(zhuǎn)矩過小,,拖動系統(tǒng)轉(zhuǎn)不起來

2,、 起動時不馬上跳閘,而在運行過程中跳閘,,主要檢查

① 升速時間設(shè)定太短,,加長加速時間

② 減速時間設(shè)定太短,加長減速時間

③ 轉(zhuǎn)矩補償(U/F比)設(shè)定太大,,引起低頻時空載電流過大

④ 電子熱繼電器整定不當(dāng),,動作電流設(shè)定得太小,引起變頻器誤動作

電壓保護

1,、 過電壓保護

產(chǎn)生過電壓的原因及處理方法:

① 電源電壓太高

② 降速時間太短

③ 降速過程中,,再生制動的放電單元工作不理想,來不及放電,,請增加外接制動電阻和制動單元

④ 請檢查放電回路有沒有發(fā)生故障,,實際并不放電;對于小功率的變頻器很有放電電阻損壞

2,、 欠電壓保護

產(chǎn)生欠電壓的原因及處理方法:

① 電源電壓太低

② 電源缺相,;

③ 整流橋故障:如果六個整流二極管中有部分因損壞而短路,整流后的電壓將下降,,對于整流器件和晶閘管的損壞,,應(yīng)注意檢查,及時更換,。

逆變器件的介紹:

1.SCR和GTO晶閘管

⑴普通晶閘管SCR 曾稱可控硅,,它有三個極:陽極,陰極和門極,。

SCR的工作特點是,,當(dāng)在門極與陰極間加一個不大的正向電壓(G為+,,K為—)時,SCR即導(dǎo)通,,負載Rl中就有電流流過,。導(dǎo)通后,即使取消門極電壓,,SCR仍保持導(dǎo)通狀態(tài),。只有當(dāng)陽極電路的電壓為0或負值時,SCR才關(guān)斷,。所以,,只需要用一個脈沖信號,就可以控制其導(dǎo)通了,,故它常用于可控整流,。

作為一種無觸點的半導(dǎo)體開關(guān)器件,其允許反復(fù)導(dǎo)通和關(guān)斷的次數(shù)幾乎是無限的,,并且導(dǎo)通的控制也十分方便,。這是一般的“通-斷開關(guān)”所望塵莫及的,從而使實現(xiàn)異步電動機的變頻調(diào)速取得了突破,。但由于變頻器的逆變電路是在直流電壓下工作的,,而SCR在直流電壓下又不能自行關(guān)斷,因此,,要實現(xiàn)逆變,,還必須增加輔助器件和相應(yīng)的電路來幫助它關(guān)斷。所以,,盡管當(dāng)時的變頻調(diào)速裝置在個別領(lǐng)域(如風(fēng)機和泵類負載)已經(jīng)能夠?qū)嵱?,但未能進入大范圍的普及應(yīng)用階段。

⑵門極關(guān)斷(GTO)晶閘管 SCR在一段時間內(nèi),,幾乎是能夠承受高電壓和大電流的唯一半導(dǎo)體器件,。因此,針對SCR的缺點,,人們很自然地把努力方向引向了如何使晶閘管具有關(guān)斷能力這一點上,,并因此而開發(fā)出了門極關(guān)斷晶閘管。

GTO晶閘管的基本結(jié)構(gòu)和SCR類似,,它的三個極也是:陽極(A),、陰極(K)和門極(G)。其圖行符號也和SCR相似,,只是在門極上加一短線,,以示區(qū)別。

GTO晶閘管的基本電路和工作特點是:

①在門極G上加正電壓或正脈沖(開關(guān)S和至位置1)GTO晶閘管即導(dǎo)通,。其后,,即使撤消控制信號(開關(guān)回到位置0),,GTO晶閘管仍保持導(dǎo)通??梢?,GTO晶閘管的導(dǎo)通過程和SCR的導(dǎo)通過程完全相同。

②如在G,、K間加入反向電壓或較強的反向脈沖(開關(guān)和至位置2),,可使GTO晶閘管關(guān)斷?!∮肎TO晶閘管作為逆變器件取得了較為滿意的結(jié)果,,但其關(guān)斷控制較易失敗,故仍較復(fù)雜,,工作頻率也不夠高。而幾乎是與此同時,,大功率管(GTR)迅速發(fā)展了起來,,使GTO晶閘管相形見絀。因此,,在大量的中小容量變頻器中,,GTO晶閘管已基本不用。但其工作電流大,,故在大容量變頻器中,,仍居主要地位。

逆變器件的介紹:上次我們向大家介紹了普通晶閘管(SCR)和門極關(guān)斷晶閘管(GTO),,最重要是讓大家了解變頻器中逆變器件是如何工作的,,它們起到什么作用!接下來我們講:大功率晶體管(GTR)-大功率晶體管,,也叫雙極結(jié)型晶體管(BJT),。

1、 變頻器用的GTR一般都是(復(fù)合管)模塊,,其內(nèi)部有三個極分別是集電極C,、發(fā)射極E和基極B。根據(jù)變頻器的工作特點,,在晶體管旁還并聯(lián)了一個反向連接的續(xù)流二極管,。又根據(jù)逆變橋的特點,常做成雙管模塊,,甚至可以做成6管模塊,。

2、 工作時狀態(tài) 和普通晶體管一樣,,GTR也是一種放大器件,,具有三種基本的工作狀態(tài):

⑴放大狀態(tài) 起基本工作特點是集電極電流Ic的大小隨基極電流Ib而變  Ic=βIb  式中β------GTR的電流放大倍數(shù),。

GTR處于放大狀態(tài)時,其耗散功率Pc較大,。設(shè)Uc=200V,,Rc=10Ω,β=50,,Ib=200mA(0.2A) 計算如下:Ic= βIb=50*0.2A=10A   Uce=Uc-IcRc=(200-10*10)V=100V   Pc=UceIc=100*10W=1000W=1KW ?、骑柡蜖顟B(tài) Ib增大時,Ic隨之而增大的狀態(tài)要受到歐姆定律的制約,。當(dāng) βIb>Uc/Rc  時,,Ic=βIb的關(guān)系便不能再維持了,這時,,GTR開始進入“飽和"狀態(tài),。而當(dāng) Ic的大小幾乎完全由歐姆定律決定,即 Ics≈Uc/Rc  時,,GTR便處于深度飽和狀態(tài)(Ics 為飽和電流),。這時,GTR的飽和壓降Uces約 為1-5V,。

GTR處于飽和狀態(tài)時的功耗是很小的,。上例中,設(shè)Uces=2V,,則  Ics=Uc/Rc=200/10A=20A   Pc=UcesIcs=2*20W=40W

可見,,與放大狀態(tài)相比,相差甚遠,。

⑶截止?fàn)顟B(tài) 即關(guān)斷狀態(tài),。這是基極電流Ib≤0的結(jié)果。

在截止?fàn)顟B(tài),,GTR只有很微弱的漏電流流過,,因此,其功耗是微不足道的,。

GTR在逆變電路中是用來作為開關(guān)器件的,,工作過程中,總是在飽和狀態(tài)間進行交替,。所以,,逆變用的GTR的額定功耗通常是很小的。而如上述,,如果GTR處于放大狀態(tài),,其功耗將增大達百倍以上。所以,逆變電路中的GTR是不允許在放大狀態(tài)下小作停留的,。

3.主要參數(shù)

⑴在截止?fàn)顟B(tài)時

①擊穿電壓Uceo和Ucex:能使集電極C和發(fā)射極E之間擊穿的最小電壓,。基極B開路是用 Uceo表示,,B,、E間接入反向偏壓時用Ucex 表示。在大多數(shù)情況下,,這兩個數(shù)據(jù)是相等的,。

②漏電流Iceo 和 Icex:截止?fàn)顟B(tài)下,從C極流向E極的電流,。B極開路時為 Iceo,,B、E間反偏時為 Icex,。

⑵在飽和狀態(tài)時

① 集電極最大電流Icm:GTR飽和導(dǎo)通是的最大允許電流,。

② 飽和壓降Uces:當(dāng)GTR飽和導(dǎo)通時,C,、E間的電壓降,。

⑶在開關(guān)過程中

① 開通時間Ton:從B極通入正向信號電流時起,到集電極電流上升到0.9 Ics 所需要的時間,。

② 關(guān)斷時間Toff:從基極電流撤消時起,至Ic下降至0.1 Ics 所需的時間

開通時間和關(guān)斷時間將直接影響到SPWM調(diào)制是的載波頻率,。通常,,使用GTR做逆變管時的載波頻率底于2KHz。

4.變頻器用GTR的選用

⑴Uceo 通常按電源線電壓U峰值的2倍來選擇,。

Uceo≥2廠2U  在電源電壓為380V的變頻器中,,應(yīng)有 Uceo≥2廠2U*380V=1074.8V,故選用 Uceo=1200V的GTR是適宜的,。

⑵Icm 按額定電流In峰值的2倍來選擇  Icm≥2廠2 In   GTR是用電流信號進行驅(qū)動的,,所需驅(qū)動功率較大,故基極驅(qū)動系統(tǒng)比較復(fù)雜,,并使工作頻率難以提高,,這是其不足之處。 今天我告訴大家的是MOSFET以及IGBT

1,、 功率場效應(yīng)晶體管(POWER MOSFET) 它的3個極分別是源極S,、漏極D和柵極G

其工作特點是,G,、S間的控制信號是電壓信號Ugs,。改變Ugs的大小,主電路的漏極電流Id也跟著改變。由于G,、S間的輸入阻抗很大,,故控制電流幾乎為0,所需驅(qū)動功率很小,。和GTR相比,,其驅(qū)動系統(tǒng)比較簡單,工作頻率也比較高,。此外,,MOSFET還具有熱穩(wěn)定性好、安全工作區(qū)大 等優(yōu)點,。

但是,,功率場效應(yīng)晶體管在提高擊穿電壓和增大電流方面進展較慢,故在變頻器中的應(yīng)用尚不能居主導(dǎo)地位,。

2,、 絕緣柵雙極晶體管(IGBT) IGBT是MOSFET和GTR相結(jié)合的產(chǎn)物,是柵極為絕緣柵結(jié)構(gòu)(MOS結(jié)構(gòu))的晶體管,,它的三個極分別是集電極C,、發(fā)射極E和柵極G。

工作特點是,,控制部分與場效應(yīng)晶體管相同,,控制信號為電壓信號Uge,輸入阻抗很高,柵極電流I≈0,,故驅(qū)動功率很小,。而起主電路部分則與GTR相同,工作電流為集電極電流I,。

至今,,IGBT的擊穿電壓也已做到1200V,集電極最大飽和電流已超過1500A,,由IGBT作為逆變器件的變頻器容量已達到250KVA以上,。

此外,其工作頻率可達20KHZ,。由IGBT作為逆變器件的變頻器的載波頻率一般都在10KHZ以上,,故電動機的電源波形比較平滑,基本無電磁噪聲,。

在變頻器工作時,,流過變頻器的電流是很大的, 變頻器產(chǎn)生的熱量也是非常大的,不能忽視其發(fā)熱所產(chǎn)生的影響

通常,,變頻器安裝在控制柜中,。我們要了解一臺變頻器的發(fā)熱量大概是多少. 可以用以下公式估算:   發(fā)熱量的近似值= 變頻器容量(KW)×55 [W]

在這里, 如果變頻器容量是以恒轉(zhuǎn)矩負載為準的 (過流能力150% * 60s)

如果變頻器帶有直流電抗器或交流電抗器, 并且也在柜子里面, 這時發(fā)熱量會更大一些,。 電抗器安裝在變頻器側(cè)面或測上方比較好。

這時可以用估算: 變頻器容量(KW)×60 [W]

因為各變頻器廠家的硬件都差不多, 所以上式可以針對各品牌的產(chǎn)品.

注意: 如果有制動電阻的話,,因為制動電阻的散熱量很大,, 因此**安裝位置**和變頻器隔離開, 如裝在柜子上面或旁邊等,。

那么, 怎樣才能降低控制柜內(nèi)的發(fā)熱量呢?

當(dāng)變頻器安裝在控制機柜中時,,要考慮變頻器發(fā)熱值的問題。

根據(jù)機柜內(nèi)產(chǎn)生熱量值的增加,,要適當(dāng)?shù)卦黾訖C柜的尺寸,。因此,要使控制機柜的尺寸盡量減小,,就必須要使機柜中產(chǎn)生的熱量值盡可能地減少,。

如果在變頻器安裝時,把變頻器的散熱器部分放到控制機柜的外面,,將會使變頻器有70%的發(fā)熱量釋放到控制機柜的外面,。由于大容量變頻器有很大的發(fā)熱量,所以對大容量變頻器更加有效,。

還可以用隔離板把本體和散熱器隔開, 使散熱器的散熱不影響到變頻器本體,。這樣效果也很好?!∽⒁猓鹤冾l器散熱設(shè)計中都是以垂直安裝為基礎(chǔ)的,,橫著放散熱會變差的!

冷卻風(fēng)扇

一般功率稍微大一點的變頻器, 都帶有冷卻風(fēng)扇,。同時,,也建議在控制柜上出風(fēng)口安裝冷卻風(fēng)扇。進風(fēng)口要加濾網(wǎng)以防止灰塵進入控制柜,。 注意控制柜和變頻器上的風(fēng)扇都是要的,不能誰替代誰,。

其他關(guān)于散熱的問題

在海拔高于1000m的地方,,因為空氣密度降低,因此應(yīng)加大柜子的冷卻風(fēng)量以改善冷卻效果,。理論上變頻器也應(yīng)考慮降容,,1000m每-5%。但由于實際上因為設(shè)計上變頻器的負載能力和散熱能力一般比實際使用的要大,, 所以也要看具體應(yīng)用,。 比方說在1500m的地方,但是周期性負載,,如電梯,,就不必要降容。

2。 開關(guān)頻率:變頻器的發(fā)熱主要來自于IGBT,, IGBT的發(fā)熱有集中在開和關(guān)的瞬間,。 因此開關(guān)頻率高時自然變頻器的發(fā)熱量就變大了。 有的廠家宣稱降低開關(guān)頻率可以擴容,, 就是這個道理,。

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