变频器主电路中的可控整流电路

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1变频器主电路中的可控整流电路可控硅,又称为晶闸管。可控硅的意思:可控的硅整流器,与常规整流二极管相比,其整流输出电压是受控的,常与移相或过零触发电路配合,应用于交、直流调压电路。可控硅是在晶体管基础上发展起来的一种集成式半导体器件。单向可控硅的等效原理及测量电路见下图2-13:AKGPNPNAKGGAKHL1KGA+6V6V0.25AVT1VT2可控硅器件等效及测量电路可控硅为具有三个PN结的四层结构,由最外层的P层、N层引出两个电极——阳极A和阴极K,由中间的P层引出控制极G。电路符号好像为一只二极管,但好多一个引出电极——控制极或触发极G。SCR或MCR为英文缩写名称。从控制原理上可等效为一只PNP三极管与一只NPN三极管的连接电路,两管的基极电流和集电极电流互为通路,VT2的Ic恰为VT1的Ib,反之,VT1的Ic也恰为VT2的Ib,两管的Ic、Ib互为作用,具有强烈的正反反馈作用。一旦从G、K回路输入NPN管子的基极电流,由于正反馈作用,两管将迅即进入饱合导通状态。可控硅导通之后,它的导通状态完全依靠管子本身的正反馈作用来维持,即使控制电流(电压)消失,可控硅仍处于导通状态。控制信号UGK的作用仅仅是触发可控硅使其导通,导通之后,控制信号便失去控制作用了。控制信号在这里只起到一个“触发”作用,一旦可控硅的导通电流形成,则形成自维持导通条件。单向可控硅的导通需要两个条件:1、A、K之间加正向电压;2、G、K之间输入一个正向触发电流信号,无论是直流或脉冲信号。若欲使可控硅关断,也有两个关断条件:1、使正向导通电流值小于其工作维持电流值;2、使A、K之间电压反向。可见,可控硅器件若用于直流电路,一旦为触发信号开通,并保持一定幅度的流通电流的话,则可控硅会一直保持开通状态。除非将电源开断一次,才能使其关断。若用于交流电路,则在其承受正向电压期间,若接受一个触发信号,则一直保持导通,直到电压过零点到来,因无流通电流而自行关断。在承受反向电压期间,即使送入触发信号,可控硅也因A、K间电压反向,而处于截止状态。可控硅器件因工艺上的离散性,其触发电压、触发电流值与导通压降,很难有统一的标UnRegistered2准。可控硅器件控制本质上如同三极管一样,为电流控制器件。功率越大,所需触发电流也越大。触发电压范围一般为1.5V—3V左右,触发电流为10mA—几百mA左右。峰值触发电压不宜超过10V,峰值触发电流也不宜超过2A。A、K间导通压降为1∽2V。主要工作参数有正、反向耐压值和正向平均电流、触发电流(电压)值、维持电流值等。可控硅器件的检测:1、用万用表粗测可控硅的好坏。用电阻x1k档,正、反向测量A、K之间的电阻值,均接近无穷大;用电阻x10Ω档测量G、K之间的电阻,从十几欧姆至百欧姆,功率越大欧姆值越小。正、反向电阻值相等或差异极小,说明可控硅的G、K并不像一般三极管的发射结,有明显的正、反向电阻的差异。这种测量方式是有局限性的,当A、K之间已呈故障开路状态时,则无法测出好坏。有的G、K间电阻值极小,也难以判别两控制极是否已经短路。2、较为准确的测量方法,是如图2-13中给可控硅连接上电源和负载,才能得出好坏的结论。方法是:将可控硅接入电路,可控硅因无触发信号输入,小灯泡HL1无电流通路不发光;将A、G短接一下再断开,可控硅受触发而导通,并能维持导通(灯泡的额定电流应大于100mA),灯泡一直发光,直到断开电源。再接通电源时,灯泡不亮。可控硅器件基本上是好的。3、可控硅有以下几种损坏情况:a、A、K极间短路或断路;b、G、A极间短路或断路;c、三个电极之间的短路。还有一种损坏情况很让人迷惑,用上述1、2种检测方法检测,可控硅是好的,但接到交流电路中,便失去可控整流作用。故障可控硅在未接受触发信号前,呈开路状态,是对的。触发电流输入后,可控硅开通了,交流输入的正、负半波都一齐过去了,单向可控硅成了一只“交流开关”!变频器整流电流中,若有这种情况发生,储能电容非喷液了不可。可控硅的这种损坏情况,不能用短路或击穿来说明了,只能说这只可控硅已经失效——失去整流作用了!如在电路连接和供电接通状态下,欲将可控硅强制开通,纯直流电路中,只需将A、G极短接一下,即将可控硅触发。为限制触发电流/电压值,可将A、G极间串接电阻,再连接之;如系交流电压输入,简单的强制开通方式,则由下图电路来实现之:交流电压输入整流输出AKGDR可控硅器强制开通的简单触发电路电路中串入二极管D的作用,是避免可控硅的控制极承受反向电压的冲击,D的反向耐压值应大于1000V,R起到限制最大触发电流的作用,可以选用500欧5W电阻。应该说,R、D元件提供或承受触发电流(功率)的时间极短,仅一瞬间,因而R的功率值再稍小一UnRegistered3些,似乎也没有什么关系。因可控硅一旦被触发开通后,A、G、K三个电极间近乎等电位(A、K间导通压降仅2V左右),则A、G极间便不会再有较大的触发电流通路。这就是为什么,在可控硅仅作为开关来使用时,有人将A、G两极直接短接,来实施开通控制的道理。下面看一下台达DVP-122kW变频器主电路/可控硅触发电路UP1PR23WVWRSTCS1J1DT1GUK1/K2/K33NDC6200kD730kBSM100GB120DN2kx3K1/51500uF400Vx6G1/4DJ6uuuK2/517/8G2/5325364AVR1C62SKKH72/16Ex31K3/5G3/5113322EUGX6EX712GV3EVGY6EY712GW3EWGZ6EZ712FUSE1C3C4C5D1AVR2C7C2AVR3C9DSP11200Vx30.56u40R25WDS145-16AC8DC3125V330u10WDR37R1DR36C1LKD30R33W200k30k10WCS2CS11GNDVol56THr7DisVcc82TriOUT3Rst4DPH2DU21455B15022003DD56DD55DC7DC5DD57DR39DR16DR2030124DQ3DR64701472DR129751DQ22DR1283011301DR11151302DR130DD23180DR19G1472DC65DD21DR73K1K2DR70DD20DC19472G2DD24180DR35DD74180DR18K3DR38DD73DC60472G3DJ6+15V342-15VNcDJ6ECT1,94V-0,0205,APKSB00079台达DVP-122kW变频器主电路/可控硅触发电路上图中的变频器主电路结构与其它变频器有所不同。三相整流桥的三个上桥臂是由三只单向可控硅器件组成的,省去了充电电阻和充电接触器,增加了R1、D1、FUSE1变频器上电时的预充电电路。在对直流回路储能电容器的充电控制上,也有其新的特点。控制机理如下:变频器上电瞬间,三相整流桥的上三桥臂可控硅器件,因无触发电流而关断;R1、FU1、D1将R相输入交流电整流成正半波电压,经P0、P1端子给直流回路的储能电容器充电。在电容器建立起充电电压后,变频器的开关电源电路起振,由开关变压器DT1的次级绕组感应电压,经D7、DC31整流滤波后,做为可控硅触发电路的隔离直流电源。多谐振荡器DU2开始工作。此时CPU检测由直流回路来的电压检测信号,判断储能电容上电路达到一定幅值时,输出一个可控硅控制信号,控制光电耦合器DPH2导通,将振荡信号由DU2的3脚引入到三极管DQ22的基极,进而驱动功率管DQ3导通,将触发信号同时加到三只可控硅的栅、阴极,三只可控硅全部导通,输入电路由半波整流电路转化为三相桥式整流电路,预充电过程结束,变频器进入待机状态。UnRegistered4触发电路相对简单,既非移相电路也非过零触发电路,振荡电路输出占空比达90%以上的矩形脉冲,几乎在任意时间内,都将触发信号送到三只可控硅的触发极。可以说,变频器在上电后,一旦DPH2受CPU控制而导通,三只可控硅也即随时处于导通状态下,同三只普通整流二极管相差不大。触发电流形成的通路是这样的(以R上臂可控硅触发电路为例):由D7、DC31整流滤波后的直流电压,经DQ3控制开关管、DD24、DR35加到可控硅的G极,再经K极回到触发电源地端。DQ3是控制可控硅开通与关断的“开关”,开关闭合与断开的指令由CPU发布。故障检修:如图2-12电路,当可控硅器件有击穿短路故障时,将输入三相交流电源形成短路,运行中电源开关跳闸。用户会合不上供电开关(一般是采用空气断路器),一合即跳;当可控硅有开路故障(或触发电路有故障)时,变频器启动或运行过程中,会跳直流回路欠电压、LU等故障,并停机保护。此时须区分是可控硅本身故障还是触发电路的故障,用检测法2先检测是否是可控硅损坏,再检查触发电路的好坏。对触发电路的检查,先将直流回路的电容器组脱开主电路,另行接入两只100uF400V电容器代替原储能电容,可方便对可控硅触发电路的检查:触发电路的正常工作须具备两个条件:1、DU2振荡电路能正常工作,输出正的驱动电压;2、触发电流的通路受控于CPU的开关信号,取决于DPH2、DQ22、DQ3的工作状态。对触发电路的检查,也可从此两方面着手。短接DQ3的C、E极,测三可控硅的G、K极间应有1.5V左右的直流电压。若此电压正常,说明DU2振荡电路正常,检查排线DJ8的24端子从CPU来的+5V控制信号、DPH2、DQ22、DQ23等环节;若可控硅仍无触发信号,检查DU2及外围电路。从电路的一个关节处、枢纽处,人为改动一下原电路状态,即可令电路的输出产生明显的变化,从而暴露出故障在哪个环节。也许从电路的静态我们较难判别,或是需费较大的力气才能检测出故障所在,而有采取一个小手段,令电路动起来,则故障环节就会显露无遗,我们可以自己造出一条故障检修的“捷径”来。短接DQ3的C、E极,即是快速判断故障是出在CPU控制电路还在触发电路本身的一个好法子。[故障实例1]:台达DVP-122kW变频器,上电无反应,操作面板无显示,测量控制端子的24V电压为0。判断为开关电源或开关电源的供电回路故障。上电检测直流回路的储能电容两端无530V直流电压,进一步检测预充电电路的保险管FUSE1已经熔断,致使开关电源得不到输入电源,整机不工作。考虑到熔断原因为三相整流电路中可控硅元件因未被触发导通,预充电电路因承受运行电流冲击,而使FUSE1熔断。将FUSE1换新后,上电在三只可控硅的触发端子均检测不到直流电压。当短接触发电路中的DQ3时,三只可控硅的触发端子均有触UnRegistered5发电压输入,三只可控硅开通。检查DQ3的集电结已经开路损坏,将DQ3用功率管BU406代换后,故障排除。[故障实例2]:台达DVP-122kW变频器,故障状态同上。检查也是FUSE1熔断。换新保险管后上电检查:短接DQ3的C、E极,测量G1、K1,G2、K2,G3、K3触发端子间仍无触发电压信号;测量DU2的3脚有直流电压输出;测量光电耦合器DPH2的1脚无1.3V输入电压,排线端子DJ6的24脚电压仅为0.3V。DPH2因无信号电压输入,输出侧三极管未导通,而使可控硅的触发电流回路被切断。是直流回路的电压检测电路故障,使CPU误以为储能电容的电荷尚未充满,因而不输出可控硅开通指令,还是CPU的I/O口内部电路故障,不能输出+5V高电平指令呢?变频器上电,在停机状态下,由预充电回路,也能在储能电容上建立起500V以上的电压。空载,操作变频器起动运行试验,输出正常,未报出欠电压故障。说明故障是由CPU的I/O口内电路损坏所致。是由厂家购进CPU主板,还是采用应急措施修复此例故障呢?在不更换CPU主板的前提下,有两种方法,都可以将此故障变通修复:1、直接将DQ3短接,变频器上电时,由预充电电路为储能电容充电,当充电电压建立起一定幅度后,如450V,开关电源起振,触发电路得电,三只可控硅得到触发电源而开通;可控硅开通时有较小的冲击电流,但基本上无妨。加装一个三极管R、C延时电路,在开关电源起振后,控制DP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