三相逆变器解读

课题五25T–2×35kVA＋12kVA逆变器的组成、参数与原理一、结构组成2台35kVA的逆变器+1台不小于12kVA的变压器二、主要技术参数输入：DC600V（500V~660V）输出：380V±5%控制电路电压：DC110V（DC130V~77V）额定输出容量：2×35kVA额定输出频率：50±1Hz三相四线变压器输出容量：≥10kVA三、逆变器的基本工作原理直流电变成交流电的过程即成为逆变.电力机车品质很差的单相交流电无法直接供给客车的用电设备,内燃机车输出三相电压频率变化也不能直接使用,因而都需要逆变.在每个周期内将直流电压分成若干脉冲,脉冲的宽度左右对称,这些脉冲的面积正好等于正玄波面积.如果输出不带滤波器,称为调制波输出,调制频率f=Kx50,调制频率越高,电动机的电流波形越接近正玄波.输出电压为AC380V与所需要的直流电压之比,称为调制深度,不同的调制深度对应不同的输入电压等级.国外有600V、670V、720V、750V等，但输出也有AC440V。按照正玄波规律的调制脉冲，控制6只IGBT的导通和关断，即可输出三相调制电压，经LC滤波后，变成正玄波，调制频率越高，滤波器体积越小，但技术难度较大。DC600VR缓冲及滤波A0CBUAUBUAB=UA-UBUAB=UA-UB1、基本原理两个概念：强迫启动或突投――负载直接启动而不实行VVVF启动的方式称为强迫启动或突投。调制频率：逆变器的输出是将直流电压分割成若干个脉冲，这些脉冲的面积，正好等于正弦波的面积。通常情况下，一个周期内脉冲的个数乘以50即为调制频率。2、软启动采用输出电压（U）和输出频率（f）同时变化并保证U/f=C（常数）即可实现软启动。四、三相逆变器电路原理（一）主电路的组成1．输入输出隔离电路KM1、KM3KM1、KM3电磁接触器，其主要功能是在逆变器、输入电路或输出负载发生故障时实施隔离，防止故障扩散。四、三相逆变器电路原理（一）主电路的组成2．中间支撑电路C1、C2；R1、R2主要由滤波电容C1、C2组成。其主要功能是滤平输入电路的电压纹波，当负载变化时，使直流电压平稳。由于逆变器功率较大，因此滤波电容的容量较大，一般使用电解电容。但由于电解电容的电压等级限制（一般最高工作电压为450V），需要两个电容串联后再并联。由于电容自身参数的离散，使得串联的两个电容电压无法完全一致，因此采用电容两端并联均压电阻的方法，如图中的R1和R2。R1和R2的另一个作用是在逆变器停止工作时，将电容上的电压放掉。四、三相逆变器电路原理（一）主电路的组成3．缓冲电路由R0和KM2组成。电容的特性是电压不能突变，因此在合闸瞬间，电容的电压很低，基本可以认为瞬间短路，因此对电源造成很大的冲击电流，这个电流足以使保护熔断器熔断，因此逆变器电流一般都有输入缓冲电路。其工作原理为：在输入端施加电压时，先通过缓冲电阻R0对电容充电，当电容电压充到一定值时（比如540V），KM2吸合，将R0短路。只有在电阻R0短路后，三相逆变电路才能启动工作。四、三相逆变器电路原理（一）主电路的组成4．桥式三相逆变电路由V1～V6组成的桥式三相逆变主电路是逆变器的核心电路，目前大部分逆变器采用IGBT和IPM作为开关器件。IGBT是MOSFET和GTR复合的产物，具有GTR的导通特性和MOSFET的驱动特性，驱动简单、功率小，开关频率高，通态压降低、损耗功率小。IPM是一种智能型模块，是把IGBT的驱动电路、保护电路及部分接口电路和功率电路集成于一体的功率器件。35KVA等级的DC600V逆变器一般采用1200V/300A的模块，IGBT和IPM分为单单元和双单元，所谓双单元是指一个模块上包含上下桥臂的两个IGBT（或IPM）。6只单单元器件或3只双单元模块可构成三相逆变器的主电路。四、三相逆变器电路原理（一）主电路的组成5．交流滤波电路由L1～L3和C1～C3组成，主要是将逆变器输出的PWM波变成准正弦波。早期的逆变器输出波形PWM波，谐波含量高，很多负载无法适应。根据铁道部新的技术条件要求，25T客车使用的逆变器输出为正弦波。由于驱动和保护技术的不断完善，使逆变器的调制频率提高，最高可达到6k～8k，因而滤波电感和电容的体积并不太大。1）T1、T2时间内，V1、V4同时导通，U为+，V为-，uUV为+且Um=Ud。2）T4、T5时间内，V2、V3同时导通，U为-，V为+，uUV为-且Um=-Ud。3）T3、T4时间内，V3、V6同时导通，V为+，W为-，uVW为+且Um=Ud。4）T6、T1时间内，V4、V5同时导通，V为-，W为+，uVW为-且Um=-Ud。5）T5、T6时间内，V5、V2同时导通，W为+，U为-，uWU为+且Um=Ud。6）T2、T3时间内，V1、V6同时导通，W为-，U为+，uWU为-且Um=-Ud。（二）主电路的工作原理（三）逆变器的保护功能1．过压保护输入电源、电动机的突然停止和线路感抗等是引起逆变器过压的原因。对于输入电源的短时过压，逆变器一般进行检测后，自动停止工作，当电源恢复正常后，逆变器可以自动重新工作，但对于输入电源的长时间过压，则逆变器将切断输入电路进行隔离保护；对于电动机的突然停止，由逆变器本身的中间支撑电容和系统内其他负载消化；对于线路感抗产生的过电压，则依靠逆变器自身的吸收电路来解决。2．欠压保护由于接触网电压的波动，有可能造成输出欠压，但在这种情况下逆变器可以不停止工作，而是采取降频降压的方式工作，即当输入电压低于540V时，逆变器按照U/F=C的规律降频降压工作。电力机车由于存在过分相的问题，因此欠压保护可以不考虑保护，而只是进行提示。3．过流保护逆变器在下列情况下会出现过流：（1）负载尤其是电动机负载的冲击；（2）输出侧短路；（3）自身工作不正常，如逆变桥臂中某个IGBT损坏、上下桥臂同时导通等。25T客车用的逆变器在技术要求中已明确要求逆变器具备承受电动机负载突加与突减的能力；当输出侧和负载发生短路时，逆变器能立即封锁脉冲输出，并停止工作，这种保护是一次性的，必须在故障清除后，逆变器才能重新工作。逆变器在三相输出侧都安装了电流检测传感器，传感器的输出信号既做输出电流的监测，又用于过流和过载保护；逆变器的内部过流保护一般依靠IGBT的驱动模块或IPM的内部电流检测电路来实现，其原理是检测IGBT或IPM导通时的管压降Uce，当器件故障时，Uce会发生变化，根据变化来判断是否过流并采取保护对策，如减低驱动脉冲的幅值、封锁脉冲等。4．过载保护由于某种原因，使逆变器的输出超过其自身的输出能力，称为过载。逆变器的过载检测由输出侧的电流传感器或输入侧的直流电流传感器完成。一般情况下逆变器的过载保护为反时限特性，即设定过载电流为额定电流的1.5倍持续1min后保护，低于1.5倍可延长保护动作时间，高于1.5倍时则保护动作的时间小于1min。5．过热保护IGBT工作时，产生各种损耗，其中主要包括导通过程损耗、通态损耗和关断时的损耗，这些损耗以热量的形式通过散热器向外传送。当调制频率低即IGBT的开关频率低时，通态损耗占主要成分，散热器的温升不会太高，而当开关频率增高后，IGBT的开关损耗便不可忽略，因此散热器温升相对升高。半导体器件工作在较高的温度环境下，性能、寿命、可靠性等都受到影响，因此需要对IGBT进行过热保护。25T客车使用的逆变器开关频率比较高，靠散热器的自然冷却有一定的难度，因此大都采用风扇强迫冷却，当散热器的温度达到一定值时（设置为65ºC～80ºC不等），风扇启动。当散热器温度超过允许温度时，安装在散热器上的热保护继电器给出信号，逆变器的控制电路自动封锁脉冲，逆变器停止工作。（四）逆变器故障时的对策逆变器的可靠性对保障客车空调系统的正常工作至关重要，在提高逆变器的可靠性要求的同时，应当考虑故障情况下的对策。25T客车采用两个35kVA逆变器，其中一个专门为空调机组供电，而另一个为其他三相负载供电，在一个逆变器出现故障时，通过控制系统可以转换到无故障电源，同时空调机组减半载运行综合控制柜第五节25T–2×35kVA＋12kVA逆变器的使用与故障(一)使用中应注意的基本问题1．必须注意输入DC600V和DC110V的极性不能接反。2.两个逆变器的输出不能并联，逆变器的输出三相禁止接入其他电源。3．逆变器工作之前，最好能测量负载三相是否平衡，是否存在短路。4．启动时先合DC110V控制电源再合主电源，停止时先断主电路电源，再断控制电源，禁止工作中突然断开控制电源。5．避免逆变器在空载输出情况下，突加全部空调负载（控制电源正常，空调主电路开关由断开状态突然合闸）。6．模拟量控制线、数字信号线和通信线采用屏蔽线，屏蔽层靠近逆变器的一端接在控制电路的公共端（COM），另一端悬空。7．开关量、控制信号线可以不用屏蔽线，但同一信号的进出两根线尽可能使绞在一起。8．两台逆变器分别接地，不允许两逆变器的地线连接后在接地二、维护与检修根据机车车辆的一般检修体制并考虑到25T客车逆变器箱的特点，本逆变器的修程分为入库检修、日常维护、一级检修A1、二级检修A2、三级检修A3、四级检修A4。检修周期定义：一级检修A1：30万公里二级检修A2：60万公里三级检修A3：120万公里四级检修A4：240万公里1．出、入库检查检查各吊装螺丝是否松动及门锁是否锁紧。检查电源系统是否正常，接入DC600V应能正常工作。2．日常维护该客车逆变器箱正常运行情况下不需要维护。但为保证其正常安全运行，应经常检查箱体安装螺丝、各部分紧固螺丝及门锁，确保没有松动。部位检查项目检查内容判断依据及相应对策A1修A2修A3修A4修逆变器箱体骨架变形、伤痕、裂纹裂纹、变形、伤痕等情况已影响辅助电源的密封和使用，需修复或更换。√√√柜门变形、伤痕、裂纹裂纹、变形、伤痕等情况已影响辅助电源的密封和使用，需修复或更换。√√√控制线插头变形、伤痕、裂纹、松动裂纹、变形、伤痕等情况已影响辅助电源的密封和使用，需修复或更换，有松动情况需要重新拧紧或更换。√√√√表25T客车逆变器A1～A4检修部位检查项目检查内容判断依据及相应对策A1修A2修A3修A4修逆变器箱内部检查布线老化、破损更换老化严重及破损的导线√√√√√√接线端子、密封套、连接器变形、破损、脱扣、生锈，更换。紧固螺钉松动、脱落重新拧紧√√√逆变器模块布线检查紧固件检查布线情况及紧固件如出现上述问题则采取相应对策√√√密封圈存在永久变形或弹性差时需更换√√√散热器检查检查积灰情况并除尘√√√电容组件电容漏液或塌陷时更换电容或组件√√√√IGBT元件元件有裂纹或放电痕迹时查明原因并更换相应元件√√√√逆变器箱内部检查电阻、滤波器、电流／电压传感器外观检查表面如积灰，需清扫干净，脱色或损坏，需更换。√√√√接线端子检查有松动的连接部分重新紧固，更换有裂纹或变形的部分。√√√LC滤波器检查风扇转动情况，不正常则更换。√√√√接触器通电动作情况触头是否有连跳、卡死、粘连，出现任何异常必须更换。√√√√触头表面颜色或磨损触头表面颜色发黑或磨损超过1.5mm，更换接触器。√√√√散热风扇外观检查若有破损，需更换。√√√√通电动作情况通电情况下，动作不正常，需更换。√√√√绝缘检测高压端对地低压端对地高低压之间用500V摇表测量√√试验控制系统整机功能依据使用说明书分别进行弱电、强电实验。√√√√二、维护与检修根据机车车辆的一般检修体制并考虑到25T客车逆变器箱的特点，本逆变器的修程分为入库检修、日常维护、一级检修A1、二级检修A2、三级检修A3、四级检修A4。检修周期定义：一级检修A1：30万公里二级检修A2：60万公里三级检修A3：120万公里四级检修A4：240万公里1．出、入库检查检查各吊装螺丝是否松动及门锁是否锁紧。检查电源系统是否正常，接入DC600V应能正常工作。2．日常维护该客车逆变器箱正常运行情况下不需要维护。但为保证其正常安全运行，应经常检查箱体安装螺丝、各部分紧固螺丝及门锁，确保没有松动。三、调试试验调试的原则是