IGBT短路保护的应用及意义.docx

IGBT短路保护的应用及意义 IGBT短路保护的应用及意义 IGBT短路保护电路可以实现快速保护，同时能节省检测短路电流所需的霍尔电流传感器，降低整个系统的成本。实践证明，该电路有比较大的实用价值，尤其是在低直流母线电压的应用场合，可以应用于大型的高频逆变器。 在变频器的内部的直流电源部分的输出的两根线上分别有两个霍尔器件.在正常情况下，流出直流源(流入逆变器)的电流和流回直流源的电流是相等的。两个霍尔器件上的电压是平衡的.一旦发生接地故障，流出直流源的电流同流回直流源的电流不等，两个两个霍尔器件上的电压不等，变频器检测到这种情况，就立刻发出报警信号，实施接地保护，所以接地保护的基本原理，并不是靠出现了较大的接地短路电流来进行保护的。1、短路保护的工作原理 2、图11-2所示为工作在整流状态的型桥式变换电路，图11-2为下半桥两只大功率器件的驱动信号和相关的器件波形。现以正半波工作过程为例进行分析。 在图11-2所示的电路中，在市电电源的正半周期，将.所示的高频驱动信号加在下半桥两只的栅极上，得到管压降波形。其工作过程分析如下：在时刻，受驱动信号的作用,、导通，在的作用下通过电感的电流增加，在管上形成如图11-2中所示的按指数规律上升的管压降波形，该管压降是通态电流在导通时的体电阻上产生的压降；在时刻，、关断，由于电感中有储能，因此在电感的作用下，二极管、续流，形成图11-3中.的阴影部分所示的管压降波形，以此类推。分析表明，为了能够检测到导通时的管压降的值，应该将在时刻导通时的管压降保留，而将在时刻检测到的的管压降的值剔除，即将图11-3中.的阴影部分所示的管压降波形剔除。由于的开关频率比较高，而且存在较大的开关噪声，因此在设计采样电路时应给予足够的考虑。 图11-2 IGBT短路保护电路原理图 图11-2 根据以上的分析可知，在正常情况下，导通时的管压降()的值都比较低，通常都小于器件手册给出的数据()的额定值。但是，如果型桥式变换电路发生故障，则这时在下管的极两端将会产生比正常值大很多的管电压。若能将此故障时的管压降值快速地检测出来，就可以作为对I 进行保护的依据，从而对实施有效的保护。 图113 、短路保护电路的设计 由对图11-2所示电路的分析，可以得到短路保护电路的原理电路图，如图11-2所示。在图11-2所示电路中及其外围器件构成选通逻辑电路，由及其外围器件构成滤波及放大电路，及其外围器件构成门限比较电路，及其外围器件构成保持电路。正常情况下，、的阴极所连接的、及的输出均为高电平，的输出状态不会改变。假设由于某种原因，在给发驱动信号的时候，型桥式变换电路的左半桥下管的管压降异常升高，即端电压异常升高，则该高电平通过加在的阴极；同时，发给的高电平驱动信号也加在二极管的阴极。对来说，其反相输入端为高电平，若该电平值大于同相输入端的门槛电平值的话，则输出为“低”。该“低”电平通过加在触发器的输入端，使其输出端的输出电平翻转，向控制系统发出故障报警信号。如果是由于右半桥下管的管压降异常升高而引起输出为“低”，则该“低”电平通过加在触发器的输入端，使其输出端的输出电平翻转，向控制系统发出故障报警信号。由和及其外围器件构成的滤波及放大电路将选通电路送来的描述管压降的电压信号进行预处理后，送给由构成的加法器进行运算处理。若加法器的输出电平大于由和确定的门槛电平，则会使触发器的端的第三个输入端为“低”，也向控制系统发出故障报警信号。改变由和确定的门槛电平，就可以灵活地改变这第三路报警信号所代表的物理意义，从而灵活地设计保护电路。图11-2中的端子、，分别接在、的集电极上，、分别接器件、的驱动信号。在电路设计时应该特别注意的是，、 、必须采用快速恢复二极管。 图114 图115 、仿真及实验结果 当图11-2所示的变换器工作在单相高频整流模式下，应用仿真软件对图11-2所示的电路进行仿真研究，可以得到如图11-3所示的结果。图11-3所示的仿真波形相当于在图11-2电路中的第脚观察到的信号波形。仿真结果表明，检测电路可以快速、有效地将变换器的下管导通时的管压降检测出来。图11-4所示波形是实际电路工作时检测到的相关波形。图中，通道显示的是单相高频整流电感电流的给定波形，通道显示的是实际检测到的图电路中的第脚的工作波形。比较图11-3和图11-4可以得出，该检测电路可以快速、有效地检测出导通时的管压降，从而对实施有效的保护。 图11-5所示为过流时实际检测到的电感中流过的电流及保护电路动作的波形。 电路实际运行结果证明，本文介绍的短路保护电路可以有效地对实施保护，成本低，动作可靠。实践证明，该电路有比较大的实用价值，尤其是在低直流母线电压的应用场合，该电路有广阔的应用前景。该电路已经成功地应用在某型高频逆变器中。 四、变频器过流故障分析 变频器中,过电流保护的对象主要指带有突变性质的、电流的峰值超过了变频器的容许值的情形.由于逆变器件的过载能力较差,所以变频器的过电流保护是至关重要的一环,迄今为止,已发展得十分完善,变频器出现“OVERCURRENT”故障，分析其产生的原因，从两方面来考虑： 外部原因： 1、电机负载突变，引起的冲击过大造成过流。比如电动机遇到冲击负载,或传动机构出现“卡住”现象,引起电动机电流的突然增加； 2、变频器的输出侧短路,如输出端到电动机之间的连接线发生相互短路,或电动机内部发生短路等.比如电机和电机电缆相间或每相对地的绝缘破坏，造成匝间或相间对地短路，因而导致过流。一台富士变频器启动就跳闸，查其输出侧接触器电缆头部分锈蚀、松动，开机时发生电弧，导致保护动作。 3、过流故障与电机的漏抗，电机电缆的耦合电抗有关，所以选择电机电缆一定 按照要求去选。 4、在变频器输出侧有功率因数矫正电容或浪涌吸收装置。 5、当装有测速编码器时，速度反馈信号丢失或非正常时，也会引起过流，检查 编码器和其电缆。负载过大也可能引起。如一台西门子M420变频器，由于机械卡死。 6、负载过大也可能引起。如一台西门子M420变频器，由于机械卡死而引起过流报警。 7、 机器本身的原因： 1、参数设定问题： 例如加速时间太短，则变频器输出频率的变化远远超过电机频率的变化；PID调节器的比例P、积分时间I参数不合理，超调过大,造成变频器输出电流振荡等。常见的是升速时过电流 当负载的惯性较大，而升速时间又设定得太短时，意味着在升速过程中，变频器的工作效率上升太快，电动机的同步转速迅速上升，而电动机转子的转速因负载惯性较大而跟不上去，结果是升速电流太大。同理降速中的过电流 当负载的惯性较大，而降速时间设定得太短时，也会引起过电流。因为，降速时间太短，同步转速迅速下降，而电动机转子因负载的惯性大，仍维持较高的转速，这时同样可以是转子绕组切割磁力线的速度太大而产生过电流。依据不同的负载情况相应地调整加速时间，就能消除此故障。 2、变频器硬件问题：检测电路的损坏也会显示过渡报警。其中霍尔传感器受温度、湿度等环境因素的影响，工作点漂移。 A)电流互感器损坏，其现象表现为，变频器主回路送电，当变频器未起动时 ,有电流显示且电流在变化，这样可判断互感器已损坏。 B)主电路接口板电流、电压检测通道被损坏，也会出现过流。电路板损坏可能是： 1)由于环境太差，导电性固体颗粒附着在电路板上，造成静电损坏。或者 有腐蚀性气体，使电路被腐蚀。 2)电路板的零电位与机壳连在一起，由于柜体与地角焊接时，强大的电弧 ，会影响电路板的性能。 3)由于接地不良，电路板的零伏受干扰，也会造成电路板损坏。 C)由于连接插件不紧、不牢。例如电流或电压反馈信号线接触不良，会出现 过流故障时有时无的现象。 D)当负载不稳定时，建议使用DTC模式，因为DTC控制速度非常快，每隔25微 秒产生一组精确的转矩和磁通的实际值，再经过电机转矩比较器和磁通比 较器的输出，优化脉冲选择器决定逆变器的最佳开关位置，这样有制过电流。 另外，速度环的自适应(AUTOTUNE)会自动调整PID参数，从而使变频器输出电机电流平稳。