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變頻器功率模�
閱讀�28701時間�2011-05-03 16:49:37

  變頻�功率模塊顧名思義就是變頻器中功率電子電力器件按一定的功能組合再灌封成一個模�。而變頻器本身是由控制單元和功率模塊組成的。一般情況下,變頻器功率模塊是通過采用外殼與外部電�端子的一體成型構(gòu)�,達到減少部件數(shù)量和減低�(nèi)部配�電感的目��

�(jié)�(gòu)

  變頻器功率模塊內(nèi)部封裝一部分是由二極管組成的單相或三相橋式整流電�,另一部分是由六個IGBT�(絕緣柵雙極晶體管)和配合使用的六個阻尼二極管組成的三相橋式輸出電��

P083A2003通用變頻器功率模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳電路圖

  上圖所示是P083A2003通用變頻器功率模塊的�(nèi)部結(jié)�(gòu)和引腳電路圖。R、S、T是電源輸入端,該模塊是交�220V供電�,R腳為空腳,內(nèi)部是單相橋式整流�

  P1�+300V整流輸出正端,N1是整流輸出負端,此兩腳外接濾波電解電�,并通過互感線圈P1與P2連通,N l與N2連�,向六個IGBT管組成的輸出橋供��

  三相輸出橋的上半橋三個IGBT管集電極都與電源正端相�,發(fā)射極分別是U、V、W三相輸出�,三個管的發(fā)射極與柵極又�(gòu)成三相上半橋�(qū)動信號輸入端GU-U、GV-V、GW-W。三相輸出橋的下半橋三個IGBT管集電極分別與U、V、W相�,發(fā)射極都與電源負端相�,三個管的柵極與電源負端�(gòu)成三相下半橋�(qū)動信號輸入端GX、GY、GZ,B是制動控制端�

  此模塊內(nèi)部無制動電路。TH是內(nèi)部熱敏電阻保護輸出端。其他型號的通用變頻器功率模塊的引腳和在電路板上的標(biāo)注雖然各有不�,但不難辨認主要功能腳位�。高端產(chǎn)品采用智能型功率模塊,內(nèi)部包含驅(qū)動電路和制動電路,引腳相�(yīng)多一��

檢測

  功率模塊在路檢測(脫離電�(wǎng))時,用指針萬用表R×l擋分別正反測量整流橋的六個二極管和輸出橋的六個IGBT管的集電極與�(fā)射極可判斷其是否擊穿,表l和表2是正常測量結(jié)果,否則�(nèi)部有擊穿元件。用指針萬用表Bx1k擋分別測量六個IGBT管的柵極與發(fā)射極間的電阻(驅(qū)動信號輸入端)應(yīng)一�,有不同時則是驅(qū)動電路或IGBT管損�。以上測量只能測出IGBT管擊穿性損�。測不出開路性損壞。把功率模塊從電路板上拆下后可對每個IGBT管進行進一步測�,方法如�1所示,表針在左邊表示不�(dǎo)�。表針在右邊表示�(dǎo)通。如不能使之�(dǎo)通和截止,則是該管損壞�

圖1

  TLP251是變頻器常用的光耦驅(qū)動電�,當(dāng)功率模塊擊穿時常殃及該電�。其�(nèi)部電路和測量方法如圖2所示。當(dāng)②腳�(jīng)3kΩ電阻�10V電源斷開或接通時。⑥腳有0V�9V的高低電壓變��

圖2

維修舉例

  例一:一�5.5KW

  故障�(xiàn)象:靜態(tài)測量逆變模塊正常,整流模塊損��

  故障分析:整流器損壞通常是由于直流負載過�,短路和元件老化引起。測量PN之間的反向電阻值,(紅表筆接P,黑表筆接N�,可以反映直流負載是否有過載短路�(xiàn)象。測出PN間電阻�150R,正常值應(yīng)大于幾十KR,說明直流負載有過載�(xiàn)�。逆變模塊是正常的可以排除,檢查濾波大電容,均壓電阻正�,測制動開關(guān)元件損壞短路,拆下制動開�(guān)元件測PN間電阻值正��

  故障原因:制動開�(guān)元器件的損壞可能是由于變頻減速時間設(shè)定過短,制動過程中產(chǎn)生較大的制動電流而損�。整流模塊長期處于過載狀況下工作而損壞�

  故障處理:更換制動開�(guān)元器件和整流模塊�

  例二:一�11KW

  故障�(xiàn)象:靜態(tài)測量逆變模塊正常,整流模塊損��

  故障分析:測量PN之間的反向電阻值正常。初步認定直流負載無過載、短路現(xiàn)象。在拆卸變頻器時,發(fā)�(xiàn)主電路有過打火的痕跡,繼而發(fā)�(xiàn)短接限流電阻的繼電器觸點打火后燒壞連接在一�,這可能就是整流器損壞的原因所��

  故障原因:變頻器通電瞬間,充電電流經(jīng)限流電阻限值后對濾波電容充�,當(dāng)PN間電壓升到接近額定值時,繼電器動作,短接限流電阻(俗稱軟啟電阻�。因繼電器是常開觸點,由于損壞而觸點始終閉�,短接了限流電阻,導(dǎo)致整流器損壞�

  故障處理:更換繼電器,整流模塊即可�

  例三:一�22KW

  故障�(xiàn)象:逆變模塊正常,整流模塊損�,運行中報欠壓故障�

  故障分析:打開機器在主電路發(fā)�(xiàn)異常,整流模塊的三相輸入端的V 相有打火的痕�;后來通電變頻器在輕負載運行下正常,當(dāng)負載加到滿載時運行一會就報欠壓。初步認為整流模塊自然老化損壞,(已經(jīng)用三年多�

  故障原因:由于變頻器不斷的啟動和停止,加之電�(wǎng)電壓的不�(wěn)定或電壓過高造成整流模塊軟擊穿(就是處于半導(dǎo)通狀�(tài),沒有完全壞,低電流下還可運行)�

  故障處理:更換整流模�

  例四:一�2.2KW

  故障�(xiàn)象:整流模塊正常,逆變模塊損壞,報軟件過流故障�

  故障分析:拆下機器主板先測驗�(qū)動電�,在�(qū)動電路上未發(fā)�(xiàn)異常。給直流信號,檢測驅(qū)支信號,�(fā)�(xiàn)有一路驅(qū)動輸出無負壓�。測量波形幅真明顯大于其它五路波�。檢測負壓上的濾波電容正常,檢測�(wěn)壓二極管Z2損壞�

  故障原因:IGBT因驅(qū)動信號電壓過高而損��

  故障處理:更換穩(wěn)壓二極管�

  例五:一�7.5KW

  故障�(xiàn)象:整流模塊正常,逆變模塊損壞,報過流故障�

  故障分析:打開變頻器,變頻器�(nèi)部堆積了厚厚的灰�,還有一些油�,變頻器輸出端不有明顯的打火過的痕跡。清洗后檢查沒有什么異�??梢哉J定是變頻器輸入端打火�(chǎn)生電流所致(由于變頻器的絕緣性降低了,所以通電就會打火�?�?�

  故障原因:變頻器是電子產(chǎn)品需要維護保�(yǎng)和定期檢查維�,這對減少變頻器故障和延長變頻壽命是非常重要的。國�(nèi)很多用戶對這一點還做得不夠,直到變頻器出現(xiàn)故障到維修還是沒有這個觀念�

  故障處理:清洗變頻器�(nèi)的灰�,更換IGBT模塊�(僅供參考)

選型及其在低頻輸出時的處�

  熱計算是功率模塊選型的重要方面之一,目前發(fā)熱與可靠性計算正在逐步脫離靠經(jīng)驗估算或模仿的范�,而被精確的仿真計算所取代�

  20世紀90年代以來,IGBT(絕緣柵雙極晶體管)開始全面取代GTR(大功率雙極晶體管),從而成為電力電子行�(yè)的主�(dǎo)器件。以IGBT功率器件為基�(chǔ)的各種功率變換設(shè)�,如變頻�、不間斷電源、逆變焊機等逐步走向工業(yè)和民用的各個角落。特別是隨著新世紀的到�,人們節(jié)能環(huán)保意識普遍加�,加之世界能源的日漸貧乏,電力電子器件與�(shè)備的�(yīng)用越來越得到人們的重視�

  由于功率器件在開�(guān)運行過程�,不可避免地�(chǎn)生大量的熱量,需要借助外部散熱系統(tǒng)來將之帶走。散熱不完全或不及時的直接后果是�(dǎo)致器件的溫度過高,芯片的晶體�(jié)�(gòu)�(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變化而失�,嚴重時�(dǎo)致短路或其它爆炸事件。所以通過仿真計算與試�,確保器件在任何運行狀�(tài)下都不超過給定的溫度,是電力電子�(shè)備熱路設(shè)計的主要�(nèi)��

  另外,運行在交變工況下的功率器件,其芯片的溫升隨負載而上下波�。由于器件內(nèi)部相互連接(焊�、鍵�、壓接等)的各部分受熱后的膨脹程度不一�,于是在連接處產(chǎn)生應(yīng)力,時間久了連接會發(fā)生疲勞直至器件失�。試驗結(jié)果表�,器件的壽命主要與芯片溫度變化的幅度以及芯片的平均溫度有�(guān)。圖1顯示了著名的LESIT研究�(jié)� [1]�

圖1 的LESIT研究結(jié)果

  所以,功率器件熱路計算的另一個任�(wù)是推算特定負載條件下器件的溫度變化曲�,進而設(shè)計與�(yù)測器件的可靠性與壽命�

  ,通過對器件損耗的計算,對系統(tǒng)的散熱進行評估或優(yōu)�,是安全、經(jīng)濟地�(shè)計電力電子設(shè)備的一個重要組成部��

  器件功率損耗計算的原理

  功率器件在運行中,芯片內(nèi)部所�(chǎn)生的損耗可由下式表示:

圖2 正向特性曲線

  在工程計算中,這一特性可以用一直線來近似,取該直線(b)與橫軸的交點(開啟電壓VT0)與直線的斜率(等效通態(tài)電阻rT)作為通態(tài)特性的基本參數(shù)。我們得到:

式子

  其中�

  Iav為通態(tài)電流的平均��

  Irms則為其有效��

  FI為電流波形系�(shù)�

  功率器件在不同的�(yīng)用中,電流為正弦半波或脈沖方�,但均可由其有效值及平均值出�(fā)根據(jù)其通態(tài)特性來計算出其通態(tài)損��

  同理可計算器件的正向或反向截止損�。但一般來說這部分損耗可忽略不計�

  器件的開通或�(guān)斷損耗則可表達為�

  其中�

  為開�(guān)頻率�

  為器件開�(guān)一次的開通或�(guān)斷損�。在�(qū)動參�(shù)一定的情況�� 的值與直流母線電壓 、開通或�(guān)斷瞬間的負載電流 及芯片結(jié)� 有關(guān)�

  正弦�(diào)制PWM逆變器的功耗與溫升計算

  1992�,賽米控公司的D.Srajber首先提出了計算正弦調(diào)制的PWM逆變器的功耗與溫升的方法[2]。隨�,這一方法被廣大用戶以及其它制造商所接受和引用[3] [4] [5]。該方法采用�2所示的線性近似來計算一個正弦周期內(nèi)器件的平均損耗,進而得到芯片的平均�(jié)溫:

  通態(tài)損耗:

式子

  M為調(diào)制比� 為負載功率因�(shù)�

  為IGBT在集電極電流為零時的開啟電壓� 為IGBT的通態(tài)電阻(輸出特性的斜率�� 為二極管在正向電流為零時的開啟電�� 為二極管的通態(tài)電阻(輸出特性的斜率�� 為開�(guān)頻率� 為輸出電流峰��

  大量的實驗證�,在逆變器輸出頻率為50Hz�,這一計算方法的結(jié)果是相當(dāng)準確�。盡管器件的實際功耗與輸出頻率同步波動,但由于芯片傳熱時間常數(shù)大大高于波動的周期(=0.02s�,結(jié)溫的變化不太明顯,僅在上下數(shù)度左右(參考圖3,[6]�。此�,使用平均結(jié)溫來代替�(jié)溫在工程上是允許��

  逆變器低頻輸出時功耗與溫升的推�

  �(dāng)逆變器的輸出頻率降低,呈正弦半波狀的輸出電流在同一只器件上的停留時間變�。當(dāng)輸出電流在峰值附近時,電流對芯片的作用時間也相應(yīng)延長。而芯片的傳熱時間常數(shù)不變,芯片的�(jié)溫隨之迅速上升。頻率越低時,這一上升就越明顯,在輸出頻率�1-2Hz時,�(jié)溫甚�?xí)叱銎骄Y(jié)�20K以上。在輸出頻率接近0Hz�,芯片所承受的電流近似為 倍于額定電流的直�,此時結(jié)溫達到值(�3��

 圖3:不同基波輸出頻率下的結(jié)溫與平均結(jié)溫的關(guān)系

  �3:不同基波輸出頻率下的結(jié)溫與平均�(jié)溫的�(guān)� [6]

  在[4]�,對以上這一�(xiàn)象的研究�(dǎo)致了所謂頻率校正系�(shù)的引�。頻率校正系�(shù)

圖4 頻率校正系數(shù)與輸出頻率的關(guān)系

  在計算低頻運行的�(jié)溫時,采用計算而得的平均結(jié)溫與殼溫之差,再乘以相應(yīng)頻率下的頻率校正系數(shù),便可得出結(jié)��

  �(dāng)散熱條件改變�,特別是�(dāng)散熱器有所不同時,頻率校正系數(shù)的曲線略有變�,采用頻率校正系�(shù)來推算結(jié)溫的方法�(chǎn)生了一定的局限性�

  逆變器低頻輸出時功耗與溫升的仿真計�

  為了在低輸出頻率時更準確地計算結(jié)�,可以先計算功率器件的瞬時功率損�。然后根�(jù)器件與散熱器的動�(tài)傳熱模型計算出芯片的瞬態(tài)�(jié)�。在計算中,芯片的溫度由其損耗所決定,而損耗又與芯片的參數(shù)相關(guān),后者最終隨芯片的溫度而變�。所�,計算過程是一個用迭代法來逐步逼進的過程�

  另外在計算中,需要建立器件與散熱器的動態(tài)傳熱模型。由[7]可知,兩者均可通過如圖5所示的串聯(lián)RC元件來等�。一般來說,在電力電子散熱系�(tǒng)�,使�3-5組RC元件便可以足夠精確地描述系統(tǒng)的各部分,如芯片-底板、底板-散熱�、散熱器-空氣等�

圖5 由4組RC元件構(gòu)成的等效傳熱模型

  該等效模型中RC元件的參�(shù)可以通過實測器件或散熱器的發(fā)熱或冷卻曲線來獲�。為了給用戶提供方便,賽米控在其技�(shù)手冊中提供了所有器件的動態(tài)熱參�(shù),以及部分典型散熱器的熱參數(shù)�

  芯片在時刻tQ相對于時刻t0時的溫升可由下式計算�

  其中�

  為第Q個脈沖結(jié)束時的溫�,Q為一個脈沖序列所含脈沖的個數(shù)�

  P為每個脈沖的功率損�;其計算公式如本文第二節(jié)所�,其中VCE0、rCE等器件參�(shù)又為溫度T的函�(shù)�

  � 為RC元件的參�(shù)�

  在賽米控率先推出的SEMISEL仿真程序中,便采取了以上計算原理 [8]。程序中迭代算法的公式及流程如下�

程序中迭代算法的公式及流程

  計算�(jié)�

  采用以上方法計算三相逆變器在輸出電流為純正弦波情況下的器件及散熱器溫度如�6所示。由圖可清楚地看到結(jié)溫在電流周期性變化時隨時間而周期性變��

圖6 利用迭代法計算而得的器件瞬時結(jié)溫

  以上計算的結(jié)果可以用來檢查芯片的�(jié)溫以確保其在正常的范圍內(nèi)工作。在SEMISEL仿真程序�,程序直接根�(jù)計算出的溫度判定所選模塊是否恰�(dāng),并同時給出了器件的各類損耗,便于用來作進一步的分析和系�(tǒng)�(yōu)��

  例如,利用SEMISEL,可以對�(xiàn)有散熱系�(tǒng)進行評估或采用虛擬散熱器來設(shè)計散熱系�(tǒng)�

  另外,在交變負載情況下,如機車牽�、電梯、卷揚機�,可以通過仿真器件溫度的波動來�(yù)估器件的工作壽命。在這方�,一個典型的�(yīng)用例子是�(fēng)力發(fā)�。由于風(fēng)力的極其不確定�,對壽命的預(yù)測是建立在大量的長時間測量基�(chǔ)上的。應(yīng)用上述方�,賽米控成功地處理了單次采樣�15000組的�(shù)�(jù),為客戶選型提供了可靠性參�(shù)�

  還有,在給定運行�(jié)溫的情況�,可以計算出器件的輸出電流與開關(guān)頻率及輸出頻率的�(guān)�。這樣就可以比較不同種類器件的電流輸出能力。圖7例示了不同開�(guān)頻率下某器件的輸出電流的仿真計算曲線�

圖7:不同開關(guān)頻率下的輸出電流仿真計算曲線

  �7:不同開�(guān)頻率下的輸出電流仿真計算曲線

  在仿真的基礎(chǔ)�,功率器件的選型(如不同種類器件之間的比較)、參�(shù)的優(yōu)化(如通過計算得到的開�(guān)頻率曲線、輸出頻率曲�、效率曲線等�、散熱系�(tǒng)的設(shè)計(熱阻的確�,熱路的�(yōu)化)變得非常簡單明了。仿真――按�(yōu)化方案設(shè)計樣機--試驗驗證成為現(xiàn)代電力電子設(shè)計的必由之路�

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