变频器维修讲座

1《变频器维修讲座》第一章：交－直－交变频器（1）交－直变换过程：就是先把不可调的电网的三相(或单相)交流电经整流桥整流成直流电。（2）直－交变换过程：就是反过来又把直流电“逆变”成电压和频率都任意可调的三相交流电。交－直－交变频器框图如下2交－直变换电路所谓交－直变换电路就是是整流和滤波。在低压电路里，哪种滤波方式效果最好？”应该是π形滤波。可是，变频器里却不能用π形滤波。因为π形滤波在电路里要串联一个电感或电阻，不管串联什么，它总要产生一个电压降。变频器前面没有变压器，不可能提高电压。因为变频器要求后面逆变出来的三相交流电，在50hz时的电压能够和前面的电源电压一般大。要是直流电压减小了的话，逆变出来的三相交流电压，在50hz时就达不到380v了。所以变频器里只能用（3）电容器滤波。用两组电容器串联起来的，为什么呢？迄今为止，生产的电解电容器的最高耐压，只有500v，而380v全波整流后的峰值电压是537v。按照国家规定，电源电压的允许上限误差是＋10%，即418v，全波整流后的峰值电压是591v。此外，变频器在运行过程中允许的最高直流电压可达（700～800）v，而在3逆变的过渡过程中，瞬间的直流电压甚至可能高达1000v呢。所以，只能用两组电容器串联来解决。每个电容器旁边，都并联一个电阻，叫均压电阻。可它们的电阻值很大，约为几十kω，而瓦数却不大，只有10w左右。（4）均压电阻：滤波电容的均压电路，电容器c1的充电回路由c1和rc2构成；c2的充电回路由c2和rc1构成。rc1和rc2的电阻值是相等的：如果两个电容器组的电容量有差异，c1＜c2则两个电容器组上的电压分配必不相等：当然，要绝对均衡是不可能的。限流电阻的作用：就整流和滤波的基本过程而言，低压和高压是相同的。合上电源前，电容器上是没有电荷的，电压为0v，而电容器两端的电压又是不能突变的。就是说，在合闸瞬间，整流桥两端（p、n之间）相当于短路。因此，在合上电源时，就出现了两个问题：第一个问题，是有很大的冲击电流，有可能损坏整流管。第二个问题，是进线处的电压将瞬间下降到0v。变频器整流电路中，它进线电压就是电网电压。所以，在合闸瞬间，电网电压要降到0v，这将影响同一网络中其他设备的正常工作，通常称之为干扰。所以，在整流桥和滤波电容之间，就需要接入一个限流电阻。接入了限流电阻后，非但减小了通电时的冲击电流。并且，瞬间4的电压降，也都降到限流电阻上了，电源侧的电压波形也解决了，等到电容器上的电压上升到一定程度时，再把限流电阻短路掉。短路器件（晶闸管或接触器）的大小是随变频器的容量而变的，但限流电阻的阻值和容量却差别不大。先看限流电阻，严格地说，容量大的变频器里，整流管的允许电流也较大。滤波电容的容量也要大一些，限流电阻的阻值应该小一些，而容量（瓦数）应该大一些。变频器的充电时间大约是0.75s到1.25s之间，笼统一点说，是1s左右吧。这样的充电电流，和这样的充电时间，对于大多数规格的变频器来说，都是可以接受的。所以，生产厂家为了减少另部件的种类，采取了多种规格的变频器选用同一规格限流电阻的做法。至于电阻的容量（瓦数），因为通电流的时间很短，只有1s，所以容量只要不小于20w就可以了。（5）旁路接触器：一般说来，直流回路的容量和变频器的输入容量应该是相等的，当电源电压380v时，直流电压的平均值是513v。接触器的三个触点是可以并联起来用的，选用容量比变频器的额定电流小一半就足够了。如果用的是晶闸管，那么容量一定要大于变频器的额定容量。限流电阻损坏的原因：第一种可能，是限流电阻的容量选小了。因为在限流电阻中通入的电流是按指数规律衰减的，且持续时间很短，所以，其容量可以选得小一些。为了降低元器件成本，有的变频器生产厂家在决定限流电5阻的容量时，常常取较小值。第二种可能，是滤波电容器变质了。凡是有电解质的器件，都有一个特点：你一直用它，它不容易坏。你总也不用它，它倒要坏了。电解电容器变质的特征，首先是漏电流增大。一台长时间不用的变频器，突然加上高电压，电解电容器的漏电流可能是相当大的。你第一次合上电源时，变频器内冒烟，很可能就是电解电容器严重漏电，甚至已经短路。而直流电压难以充电到450v以上，短路器件不动作，限流电阻长时间接在电路里，它当然要冒烟、烧断了。长时间不用的电解电容器，通电时，应该先加约50%的额定电压，加压时间应在半小时以上，它的漏电流就会降下去，也就可以正常使用了。第三种可能，就是旁路接触器km或晶闸管没有动作。结果，使限流电阻长时间接在电路里。”怎么来判断旁路接触器或晶闸管是否动作了呢？旁路器件应该在滤波电容器已经充电到一定程度（例如，电压已经超过450v）时动作。因此，你可以在确认滤波电容器完好的情况下，通电时，观察当直流电压上升到足够大时，旁路器件是否动作。在滤波电容器两端，还并联了一个0.33μf的小电容，因为电解电容具有一定的电感性质，它不能吸收时间很短的干扰电压，容易导致“过电压跳闸”的误动作。电容器就是用来吸收干扰电压的。（6）电源指示灯：这个指示灯主要不是显示变频器是否通电，而是显示变频器断电6后，滤波电容器上的电荷有没有放完，它是为你的人身安全而设置的。就是说，当变频器发生了故障，你打开机箱，想要看看里面的零、部件是否发生问题时，虽然变频器已经断了电，但如果滤波电容器上的电荷没有放完的话，将是很危险的。所以，千万注意，一定要在指示灯完全熄灭后，才能用手去触摸里面的元器件。第二章：IGBT管的构成（1）IGBT管也叫绝缘栅晶体管，它是晶体管和绝缘栅场效应管的组合。（2）三极晶体管，它的三个极分别是：集电极c、发射极e和基极b。它的特点是集电极电流ic的大小取决于基极电流ib，故称为电流控制器件。集电结B发射结NPN集电区基区发射区CCEEB集电结B发射结PNPCCEEB集电区基区发射区7（3）绝缘栅场效应管，它的三个极分别是：漏极d、源极s和栅极g。栅极和源极之间是绝缘的。它的工作特点是漏极电流id的大小取决于栅极和源极之间的电压ugs，故称为电压控制器件。IGBT绝缘栅晶体管，它的主体部分和晶体管相同，也是集电极c和发射极e；控制部分却是绝缘栅结构，通常称为控制极g。集电极电流ic的大小取决于控制极与发射极之间的电压uge。所以，也是电压控制器件。”IGBT和大功率晶体管GTR相比，IGBT管主要有哪些优点首先，IGBT管允许的开关频率比GTR高一个数量级。GTR的最高开关频率只有2khz，而IGBT可达20khz。其次，很明显的是，它的控制极的功耗要比GTR的基极功耗小得多。”IGBT管和其他三极管一样，也有三种状态：截止状态、放大状态和饱和导通状态。而我们只用它的截止状态和饱和导通状态。（4）IGBT测试P沟道N型硅衬底P+P+源极S栅极G漏极DSiO2绝缘层金属铝DSG衬底DSG衬底P沟道绝缘栅型场效应管的结构P沟道耗尽型场效应管的符号P沟道增强型场效应管的符号84.1绝缘栅双极型晶体管IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，因此，可以把其看作是MOS输入的达林顿管。它融和了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动简单和快速的优点，又具有双极型器件容量大的优点，因而，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用。在中大功率的开关电源装置中，IGBT由于其控制驱动电路简单、工作频率较高、容量较大的特点，已逐步取代晶闸管或GTO。但是在开关电源装置中，由于它工作在高频与高电压、大电流的条件下，使得它容易损坏，另外，电源作为系统的前级，由于受电网波动、雷击等原因的影响使得它所承受的应力更大，故IGBT的可靠性直接关系到电源的可靠性。因而，在选择IGBT时除了要作降额考虑外，对IGBT的保护设计也是电源设计时需要重点考虑的一个环节。4.2IGBT的工作原理若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOSFET截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。由此可知，IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定：IGBT栅极与发射极之间的电压；IGBT集电极与发射极之间的电压；流过IGBT集电极－发射极的电流；4.3IGBT的结温9如果IGBT栅极与发射极之间的电压，即驱动电压过低，则IGBT不能稳定正常地工作，如果过高超过栅极－发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏；同样，如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极－发射极之间的耐压，流过IGBT集电极－发射极的电流超过集电极－发射极允许的最大电流，IGBT的结温超过其结温的允许值，IGBT都可能会永久性损坏。4.4保护措施在进行电路设计时，应针对影响IGBT可靠性的因素，有的放矢地采取相应的保护措施。IGBT栅极的保护IGBT的栅极－发射极驱动电压VGE的保证值为±20V，如果在它的栅极与发射极之间加上超出保证值的电压，则可能会损坏IGBT，因此，在IGBT的驱动电路中应当设置栅压限幅电路。另外，若IGBT的栅极与发射极间开路，而在其集电极与发射极之间加上电压，则随着集电极电位的变化，由于栅极与集电极和发射极之间寄生电容的存在，使得栅极电位升高，集电极－发射极有电流流过。这时若集电极和发射极间处于高压状态时，可能会使IGBT发热甚至损坏。如果设备在运输或振动过程中使得栅极回路断开，在不被察觉的情况下给主电路加上电压，则IGBT就可能会损坏。为防止此类情况发生，应在IGBT的栅极与发射极间并接一只几十kΩ的电阻，此电阻应尽量靠近栅极与发射极。“10在实际的逆变模块中，为什么每个IGBT管旁边，都要反并联一个二极管,为什么要反并联二极管。变频器的输出电压里，是有一些谐波分量的，我们这里，只看它的基波分量。当电流与电压反方向时，实际上是电动机的反电动势在向滤波电容充电。但是，IGBT管是只能单方向导电的，所以，必须要为充电电流提供一条路径，这就是反向二极管的作用。当电流和电压同方向时，则是滤波电容通过IGBT管向电动机绕组放电的过程。直流电逆变成交流电的基本方法，是使几个开关器件不断地按照一定的规律交替导通的结果。目前在低压变频器中，普遍采用的是IGBT管，它的主体部分和晶体管相同，也有集电极和发射极。而它的控制极却和绝缘栅场效应管类似，称为控制极。电动机定子的等效电路是电阻电感电路，它和直流电路之间，存在着能量交换的过程。具体地说，要对滤波电容器进行充放电。为此，在每个IGBT管旁边，都必须反并联二极管，为电动机绕组向滤波电容器充电提供通路。