课件(电力电子器件故障诊断)1

电力电子器件故障诊断培训中心•电力半导体器件的飞速发展大大拓宽了电力电子技术的应用范围。无论是信息技术，还是电力技术，都离不开电力电子器件。尤其是在开关电源、伺服驱动、感应加热、工业传动、电焊机、汽车电子、家用电器等领域都得到了广泛的应用。•但在应用中出现了许多故障不容忽视•电力电子器件基础知识•电力电子器件的典型故障•电力电子器件的一般检测方法•电力电子器件的劣化机理•电力电子器件故障诊断要点•电力电子器件状态在线测试技术授课提纲电力电子器件的基础知识电力电子器件的基础知识1)半控型器件3)不可控器件2)全控型器件按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类：晶闸管GTR、GTO、IGBT电力MOSFET、IGCT、IEGT电力二极管电力电子器件的分类1)电流驱动型2)电压驱动型通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类：电力电子器件的基础知识电力电子器件的分类按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：1)单极型器件2)双极型器件3)复合型器件由一种载流子参与导电的器件(MOSFET)由电子和空穴两种载流子参与导电的器件(SCR,GTO,GTR,IGCT)由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件(IGBT,IEGT)电力电子器件的基础知识电力电子器件的分类电力电子常用器件晶闸管SCR可关断晶闸管GTO绝缘栅双极晶体管IGBT集成门极换流晶闸管IGCT促进电子注入绝缘栅双极晶体管IEGT电力电子器件的基础知识SCR晶闸管大容量,高过载能力，效率高，频率低，功率因数低，谐波旁频技术成熟、易维护,结构简单、投资低,运行费用低,国产化,交交变频仍是主流SCR器件（国产）的过载能力：以2500A/2500V为例。其通态不重复电流可达41KA（10ms正弦半波），可承受电流上升率为150A/微秒，电压上升率为500V/微秒。电力电子器件的基础知识PWM，频率高，功率因数高可以通过向门极施加负脉冲电流进行关断已达9kV、25kA、800Hz及6kV、6kA、1kHz的水平存在工作频率较低、需设置专门的缓冲电路等缺点GTO器件（国产）的过载能力：以2000A/2500V为例。其通态不重复电流可达14KA（10ms正弦半波），可承受电流上升率为300A/微秒，电压上升率为500V/微秒。GTO可关断晶闸管电力电子器件的基础知识IGBT绝缘栅双极晶体管减少通态压降,改进方法--平板型结构--沟槽工艺:促进电子注入栅极难点--增大容量小晶体管并联,结构复杂--通态压降大----4000V~50V左右SIEMENS--1200A/3300V,500A/6500VFUJI----1000A/2500V平板IGBT电力电子器件的基础知识IGCT集成门极换流晶闸管减少门极驱动回路的电感，加快门极电流上升率，取消缓冲电路,加快开关速度,提高效率环状门极,主电流全部换流到门极，把驱动电路集成安装在器件旁IGCT(ABB),GCT(Mitsubishi)，6KA/6KV电力电子器件的基础知识IEGT促进电子注入绝缘栅双极晶体管其吸取了IGBT和GTO两者的优点，称为“注入增强栅晶体管”，它是在沟槽型IGBT基础上，把部分沟道同P区相联使发射极区注入增强，使得IEGT具有高电压大电流和高的工作频率，使其更适合于高电压大功率、高频率的变频装置，IEGT具有IGBT元件电压驱动,开关速度快，可自保护等优点电力电子器件的基础知识GTO、IGBT、IGCT、IEGT性能比较电力电子器件的基础知识电力电子器件的驱动•电力电子电路中各种驱动电路的电路结构取决于开关器件的类型、主电路的拓扑结构和电压电流等级。•采用性能良好的驱动电路，可以使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减少开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要意义。•另外，对电力电子器件或整个装置的一些保护环节，如控制电路与主电路之间的电气隔离环节及对整个电路的缓冲环节等，也设在驱动电路或通过驱动电路来实现，这些都使得驱动电路的设计尤为重要。电力电子器件的基础知识常见的驱动电路晶闸管触发电路GTO驱动电路IGBT驱动电路电力电子器件的基础知识晶闸管触发电路1.晶闸管对触发电路的要求1)触发信号应有足够大的功率2)触发脉冲的同步及移相范围3)触发脉冲信号应有足够的宽度，且前沿要陡4)为使并联晶闸管元件能同时导通，触发电路应能产生强触发脉冲5)应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离电力电子器件的基础知识同步信号为锯齿波的触发电路同步信号为锯齿波的触发电路电力电子器件的基础知识晶闸管触发电路数字触发电路在各种数字触发电路中，目前使用较多的是以微机为控制核心的数字触发器。这种触发电路的特点是结构简单，控制灵活，准确可靠。该触发器由脉冲同步、脉冲移相、脉冲形成与输出等几个部分构成。单片机数字触发器的原理框图电力电子器件的基础知识GTO对门极驱动电路的基本要求GTO的门极驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分，其结构示意图及其理想的门极驱动电流波形如图所示。门极驱动电路结构示意图及理想的门极驱动电流波形电力电子器件的基础知识GTO驱动电路2.门极驱动电路实例1)小容量GTO门极驱动电路门极驱动电路实例1电力电子器件的基础知识IGBT驱动电路1.对栅极驱动电路的基本要求①要求驱动电路具有较小的内阻。②栅极驱动电源的功率要足够大。③要提供大小合适的正向驱动电压Uge。④要提供大小合适的反向驱动电压。⑤要提供合适的开关时间。⑥要有较强的抗干扰能力及对IGBT的保护功能。电力电子器件的基础知识IGBT驱动电路2.驱动电路实例1)分立元件组成的驱动电路①实例1采用光电耦合器进行隔离的栅极驱动电路电力电子器件的基础知识IGBT驱动电路2)集成驱动电路同其他的电力电子器件一样，由分立元件组成的IGBT驱动电路也存在着可靠性问题。为此，目前已经研制出多种专用的IGBT集成驱动电路。这些集成化驱动模块抗干扰能力强、速度快、保护功能完善，可实现IGBT的最优驱动。电力电子器件的基础知识电力电子器件的保护•在电力电子电路中，为了避免器件及线路出现损坏1.电力电子元件参数要选择合适、设计良好的驱动电路；2.设置必要的散热电路、必要的保护电路环节和缓冲处理电路电力电子器件的基础知识电力电子器件的散热技术1)稳态热阻一般来说，器件散热时的总热阻RθJ包括两部分：一是PN结至外壳的内热阻RθJc，二是由外壳至散热器的热阻RθJa以及散热器至环境介质的热阻构成的外热阻RθJb。2)散热措施①减小接触热阻RθJa。②减小散热器热阻RθJb。电力电子器件的基础知识电力电子器件的散热技术散热器的选配•散热器的选配原则是保证器件的最高运行结温不超过额定结温。选配散热器时首先要知道所用器件的参数、负载变化情况及工作环境等条件，然后确定器件的耗散功率。由器件耗散功率和额定结温确定必要的散热器热阻，借以确定散热器的型号。电力电子器件的基础知识电力电子器件的保护1.晶闸管的保护1)晶闸管的串并联(1)晶闸管的串联(a)电压分配(b)静态均压电力电子器件的基础知识电力电子器件的保护(2)晶闸管的并联(a)电流分配(b)晶闸管并联电路(a)电阻均流(b)电抗均流电阻均流与电抗均流晶闸管并联时的电流分配电力电子器件的基础知识电力电子器件的保护2)晶闸管的保护(1)过电压保护按过电压保护的部位来分，有交流侧保护、直流侧保护和元件保护等几部分。晶闸管装置可采用的过电压保护措施电力电子器件的基础知识电力电子器件的保护(2)过电流保护晶闸管装置可能采取的过电流保护措施1－进线电抗器；2－电流检测和过流继电器；3－交流侧快熔；4－晶闸管串联快熔；5－直流侧快熔；6－过流继电器；7－直流快速开关电力电子器件的基础知识电力电子器件的保护(3)电压上升率du/dt及其限制•晶闸管在阻断状态下存在结电容。当加在晶闸管上的正向电压上升率du/dt较大时，结电容充电电流起到触发电流的作用，使晶闸管误导通，造成装置的失控。因此，必须采取措施抑制du/dt。•晶闸管的RC保护电路可以起到抑制du/dt的作用。在每个桥臂串入桥臂电抗器也是防止过大造成晶闸管误导通的有效办法。此外，对于小容量的晶闸管，在其门极和阴极之间接一电容，使du/dt产生的充电电流不流过结电容，而通过电容C流到阴极，也能防止因du/dt过大而使晶闸管误导通。电力电子器件的基础知识电力电子器件的保护(4)电流上升率di/dt及其限制•晶闸管在导通瞬间，电流集中在门极附近，随着时间的推移导通区才逐渐扩大，直到整个结面导通为止。在此过程中，电流上升率di/dt应限制在通态电流临界上升率以内，否则将导致门极附近过热，损坏晶闸管。•增大阻容保护中电阻值可以减小di/dt，但会降低阻容保护对晶闸管过电压保护的效果。在晶闸管回路串联电感是限制di/dt的有效方法。•晶闸管的保护是关系到晶闸管装置能否安全可靠地运行的问题，但对于保护装置的定量计算还没有成熟的和统一的计算方法，有待于进一步研究和实践。电力电子器件的基础知识电力电子器件的保护2.全控型电力电子器件的保护1)GTR的过电流保护GTR的过电流保护电路电力电子器件的基础知识电力电子器件的保护2)IGBT的过电流保护(a)电阻保护电路(b)霍尔传感器保护电路IGBT的过电流保护电路电力电子器件的基础知识基于IGCT的中压大容量传动装置的保护(有源整流器与逆变器均用IGCT时)DC-Bus=~=~ExcitationCircuit2x5/3.16kV6000kVAIIIy0/Yd11150kVA380/380Vprel.125kVA/trafoACM6209_A12_1s9_1s9_ABBAMZSynchronousmotorwithbrushesInverter9MVA~SMInverter9MVA~SM4600kW3050V884A450-650/750rpm2AC380V穿孔主传动系统图10kV电力电子器件的基础知识第1级保护：调节系统本身的限流保护。第2级保护：运行过电流保护(电机突加负载、调节不当、电机堵转)，特点是电流流入电机绕组，其电流因其回路电感较大而上升较慢，所以采取关断所有IGCT的方法来实现保护。第3级保护：短路保护(IGCT损坏、IGCT误触发、逆变器内部短路等)，特点是电流不流入电机，其电流上升率仅取决于主回路电感，电流上升非常快，超过IGCT的最大可关断电流时其保护没起作用，则装置会严重损坏。所以，短路的保护原则就是当短路电流还未达到IGCT的最大可关断电流时开通所有IGCT器件来共同分担短路电流，避免器件损坏和故障扩大。电力电子器件的基础知识1.基本形式缓冲电路通常由电阻、电容、电感及二极管组成，其基本类型可分为关断缓冲电路、开通缓冲电路和复合缓冲电路几种形式。1)关断缓冲电路关断缓冲电路又称为抑制电路，用于吸收器件的关断过电压和换相过电压。d/dut关断缓冲电路电力电子器件的基础知识缓冲电路2)开通缓冲电路开通缓冲电路又称为di/dt抑制电路，用于抑制器件开通过程中的电流过冲和di/dt。开通缓冲电路电力电子器件的基础知识3)复合缓冲电路•将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起所形成的电路称为复合缓冲电路，它可以在GTR关断和开通时均起到保护作用，因而在实际中应用较多。(a)耗能式电路(b)馈能式电路电力电子器件的基础知识(a)小容量(b)中容量(c)大容量用于IGBT桥臂模块的缓冲电路电力电子器件的基础知识1）电源类2）交流电力控制器类3）电机传动类4）高压直流输电类5）无功补偿6）其它电力电子装置的应用电力电子器件的基础知识基于晶闸管的三相桥式电力电子装置在电气传动中的运用最广泛MM供电系统主电路图~35KV晶闸管三相桥式电力电子装置主电路AKAK－＋10并10并10并10并10并10并电力电子