变频调速装置中GTR的保护（过压、过流及短路）与驱动

变频调速装置中GTR的保护（过压、过流及短路）与驱动 变频调速装置中GTR的保护(过压、过流 及短路)与驱动 变频调速装置中GTR的保护 (过压,过流及短路)与驱动 天津电气传动 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 研完所绦遘恒曲国杰张绚宽爵文学 摘噩t丰支盎颏调速装置巾GTR的过j主流厦瞎保护为敞心,分析时沦rGTRff.JLE确点-J. 护环节及动电路中所应注意的问题了捧进,最后持出了路试验结粜. 键词:变胡速GTR苛 一 ,前言 现代变额调速装置,特别是中小容量的变额装置,由于采用了大功率晶体管(GTR)等 “垒控型”功率开关器件,不需要任何换流电路,因而具有主电路结构简单,装置体积小, 重量轻,运行效率高等优点.在控制技术上,由于微机和大规模专用集成电路的采用,简化 了控制系统的硬件结构,降低了系统成本,也提高了装置的性能. 随着GTR制造技术的不断提高,国外一些公司(如富士,东芝等),已能 提供电压为 120oV,电流,10OA的GTR模块|GTR变额装置的容量已能达到s60kVA(对应电机功率 R4c0kW).国内不少单位,或通过技术引进,或自行研制开发,已能生产一定批量的GT 通用变频装置.但因国内起步较晚,国产GTR变额装置尚存在不少问题.如GTR的损坏就 一 直没有得到彻底解凑.其主要原因在于GTR使用不当和驱动,保护功能不完善. 我们知道,GTR的保护和驱动是变频凋速装置中的重要组成部分.完善的保护和驱动, 不仅可以延长装置的使用寿命,也使其可靠性大为提高.我所在JP1C系列变频酾速装置研 制过程中做了大量的尝试,并取得了满意的效果.特别是在输出端出现短路(对地,线间) 故障时,装置也能做到可靠地保护,EL不损坏装置中的任何器件本文将结合JP1C系列装 置研制过程中的体会,谈谈有关变频调速装置中关干GTR的正确间与 下降时间,.因此,在使用时,GTR的集电极功耗Pc与结温丁也应给予足昭的重视. 不同厂家,不同规格的GTR器件,最大额定 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 cF.,Ic,Pc,TJ值也不尽相同.为 电气传动1992年第1期 / 了防止瞬间可能导致GTR损伤或永久性破坏,在实际应用中,应使其工作参数严格限制在 最大额定范围以内,并留出一定裕量.如GTR承受的反向电压与通过的电流(其中包括其 浪德慢在内),一般取其额定值的8O%{而功率损耗Pc取其额定值的5c%}结温取其蛀太 允许值的7O,80%之间. 为了给设计者提供方便,GTR的翩遣广家将不同工作状态下的GTR允许工作值,f,c,, 』c,绘制成安全工作医.图l为东芝公司生产的MGS0M2CK2型GTR的正向安垒工作区(a)与 反向偏置安全工作区(b).设计时应充分和正确地利用. : 1 H 嚣 罩 掣 瓣 „a,止向翎置安垒工作区(b)反向偏置安全工作区 圈IMG50M2cKz~安全工作匿 GTR工作时所承受的}c,lc参数与具体应用线路有关.在变频装置中,GTR作为遣 变元件应用时,其导通和关断情况可用图2所示的主电路结构由Il以说明.如选用MGsoM2 CK2作为主越变管,其额定电压cE沩1000V,额定电流c为曲Aj由其组成的变鲺装置 容量为l1kVA,对应的最大电机功率为7.5kW,额定输出电流,d=18A.由以上参数可知电 机最大的瞬时电流,.为 = 2K,KD,d(1) 式中P一谐波电流系数,通常取=1.10 D——电机过载倍数,通常取D=1.50 敞,由式(1)可得 =42A. 又因三相交流进线电压有效I直为?=380V,可得逆变器直梳母线电压c为 VDc=,/2UIN=5,t0V 假设逆变器输出电流为ia,其方向由图2中的箭头表示I并以ia为负载最大峰值电流,时来 分析G.TR在变频讽速装置中的工作情况. 当GTR导通而GTR关断时,流过GTR的电流IclfdJd=42A,GTR:承受的匿向 电压VcE.=0:=540V.因电机为感性负载且输出电流频率远小于载波频率,故在一个载 波周期内可以认为负载电流r的太小和方向不变因而当GTR关断,GTR加上导通信号 时,二极管D续流,即z=:42A此时GTR的管压降cE=一m(二极管D的导 通压降)}此时GTR所承受的反向电压cB=Dc=540V.可见,GTR在开通和共断两 24 种状态下的pce,,c值均在宽许范以内. 下面进一步分析GT最在开关转换过程中的电压,电流变化规律. 我们知道,GTR内部所配置的反向续流二极管(如图2所示的D,D)为快速恢复二 极管,其反向恢复时间小于GTR的开关时间.如MG53M2cK2的f.=2s,.=15g.s, 5s,而1s.因此,可以认为晶体管与续沆二极管的电流交接不存在时闻 上的失配 问题.为简化分析,忽略线路中的分布参数影响,即不考虑换流过程中逆变桥上形成的尖峰 电压.其开关转换过程可由图3(参考图2)加以说明., 图2主回路简化礞理囤图3GTR的开关转换过程 图3~GTR1的集电极电流,c滞后基极电流,在f.期间,因Dz的电流,D诃;为零,所以 GTR的电压VcE=VDcJ在GTR关断时,VcEt滞后基极电流t.此外,,c有一个下降时 间ff在耐闻内,GTR的电压cE=Voco同理可分析出GTRz的工作情况与GTR类似. 将开关转换过程中的GTR电压,电流变化轨迹与其安垒工作区同时绘于图4之中.由图 可见,cE,tc的变化轨迹没有超出其安垒工作区所指定的范围. 以下对额定工作状态下的GTR功耗加以讨论. 在开关工作状态下,GTR的集电极功耗Pc(W)可按下式计算(指双GTR模块) Pc=Pcc.l+P,t.Ill+Pc(st一)+Pcc一.fIl(2) 式(2)中Pc(.l为导通损耗,可按下式进 行估算,它由晶体管损耗与二极管损耗两部 分组成,即 罡c(.4l=,LVcE()T.1/×100+ ,DVoT.:2,×10(3) 式(2)中Pct】为关断损耗.囡,cEo很小, 故可忽略}式(2)中第三,第四两项台称图4升盖过程中VcEIc在安主工作鹾中的变化轨进 开关损耗并用Pc(日表示,它可由下式计算 pc(押幻川一l衄+Pcc押一e?,cDc,×lo—E??,cDce,×lO(4) 以上奢l喾中.电~漉的单位为A电压单位为V;时间以s计箕;载渡频率,的单位为Hz. 对MGn他CK2?~GTR,,按负载电流的最大有效{直计箕,即考虑1.5倍过载倍数, 25 甑,, 取c==30A;载波频率,按/=t/7:2oo0Hz计算.盎GTR的有关参数:f/cE(12.V l?1,=(一2.5V;:=1?.}【:3LtS;耗散功率尸=350W.由式(2),()可得 .c?×2.5×(7?/?)(1/?)卞30x2.5x(jr/2)(1/7?)=75w c.(…1:{30×540×(1+3)×8000xtO—c=32.4W /c=Pc{.)+Pc():lO7.4W 可见,(TR的总损耗小于GTR额定耗散功率的一半(3j0关斯期间(,)内,脚直流母线分市电感的存在使TR的承受电压J,c出 现尖峰,其峰值为?.-一 我ffJ知道,程童.时间内GTIt一直在正向偏置下工作.若在此期问短路电流,及短 路电压s均来超过GTR正向安垒二[作区所规定的范围,加之(s—f)讨间小于5s(参 .见图1),邪幺在这段时间内是窘垒}从}.到”这段对问内GTR开始若断,此时它处在 反向偏置阶段,因此,f】要在该时间内,…ces未超出反向俯置蜜全工作区那,厶GTR也 不会受到损伤.._. 以上分析表明:必要我们设计台理,充分利用GTR的快速关断特性,实现GTR的短路 保护是不难做劐的. J 三,过炷,过保护实她J 由前文可知rR的电压,电流是非常重要的两个参量在实际应用中应尽力避免出 现GI_R的过压,过流现象,以保证GTR的正常使用.对变频调速装置而亩,应首先进行电 压,电流的预保护.通常采用的预保护措施是加减速自动控制(或称央速控制),H口根据缸 载情况(掼量)由系境内部自动调整频率的上升或F降速率,从而达到限制动态电漉(负载 电流和直流母线电流)和动态电压(直流母线电压)的目的.当失速控制无法达到上述日的 时,应采取强制手蹬封锁GTR,即过压,过境保护动怍,具体动停值需根据装置的额定电 压,额定电流及GTR的极限参数权衡考虑.如JPlc一11/50(1lkVA)采用M6~bMZCK2犁 26 GTR,过压动作点设在710V,过流动作值为50A. 1.信号 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 由于母线直流电压oc反映了变频装置的最高工作电压,拽通常我们取该电压来进行 GrR的电压监视.电压信号通常可用电阻分压 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 得到,也可采用电压崔尔传感器等方法 测取.当采用电阻进行测量时,为喊小电压失真,宜采用温度和频率特性较好的无感电阻. 变频装置中电流的表现形式比较复杂,因而其检测方法也很多.概括起来,过流信号主 要分为内部直通电流和外电路故障电流两大类.其中内部直通电流主要由控制系统的失控所 致,该电流不流经负载同路,只在装置内部逆变电路中的同臂GTR间形成,外部救障电流 是由于装置负载过重或外电路短路等垃障造成,共电流的通路相对复杂,它既程装置输出端 有所表现,也在装置内部作出反映. 通常电流检测的方法主要有以下几种. 可以从直流母线检测母线电流,如图6中的 ?和固处所示.采用这种方法应注意t只采 用其中的一点进行检测,虽能检测到内部直 通电流和输出的线间故障电流,但却无珐检 测到因输出对地造成的所有可能的短路电 流.因此在实际应用当中,要么采用?和? P对匿避略 剧6主路信号桎测示意翻 两者并存,要么将其中之一与图6中?处所示的零序电流检测相配合I再者就是采用输出电 流检测方法,如图6中的?处所示.采用这种方法检测电流时应同时对兰路输出进行监视.此 外,采用这种方法其能检测到外部的故障电流,对装置内部的直通电流无能为力.一般还配 以相应的母线电流检测. 电流检测所选用的传感器件也不尽相同.常用的有取样电阻(包括分流器),霍尔电流 传感器,电流互感器,零序电流检测器等.由于GTR要求快速保护(微 秒级),因此对电 流检测器件的快速性也提出了较高的要求,从动态响应指标来看,无感取样电阻是最理想 的.但它涉及到隔离和功耗问题.而功耗与取样电平又有矛盾,电平越低越容易引入干扰; 霍尔电流传感器不存在隔离和功耗问题,但其价格较昂贵,一般小容量装置不宜多采用.霍尔 电流传感器分直测式与磁平衡式两种.直测式动作时间为1o,15,磁平衡式的?向应速度在 50~100A/v.s之间.故在数百安培以内采用磁平衡式霍尔传感器,l其响应速度可以满足要 求.其它类型的电流检测器件,如电流互感器,零序电流检测器等,响应速度取决于内部铁 芯 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 和线圈绕铷工艺,响应速度不快者不宜采用. 2.信号处理中应注意的问匿 由本文第二部分所得出的结论可知;从GTR的瞬时最大耗散功率角度来看,保护动作 时间不可超过50s(特别是出现短路故障时).因此,保护通道的响应速度是我们最关心的 问题.由电压,电流信号检测到驱动回路执行关惭封锁,其信号通常需要经过滤波,放大, 比较,隔离等许多环节.每一个环节的时间常数,响应时间和动作点都 要经过周密的计算和 实际测量,对其中所选用的各种器件,一如光耦,运放和比较器等要进行合理选配.如JP1C 系剜变频装置从信号检测到GTR驱动,总的传输时间在10p.>左右. 另外一点需要补充的是主回路电压雯咯的吸收问题.我们知道,线路中总会存右一定的 分布电感,园此在GTR正常开关工作过程中,由于换流作用,在主回路逆变桥两端总会产 27 , 生电压尖峰(其宽度一般在1至3s之问,最大峰值可高达数百伏,甚至上千伏),如不加以 吸收,势必会造成GTR困瞬间过压而被击穿:通常可采用必要的吸收网路加以限制.JP1C一 系列变频装置采用的是R—DC结构的吸收同路,如图2所示. 四,对驱动回路的要求 驱动回路的优劣,直接关系到GTR的正常工作和保护,因此要对驱动电路进行精心设 计.为此,以下将对驱动回路设计中所应注意的问题加以讨论. I.光辆输入部分的抗千扰问睡 驱动电路与GTR的相互关系如图7所示.在GTR的开 关转换过程中,l点电位发生眺变.如GTR导通或D续流 时,P点与M点等电位;面GTRz导通或D续流时,P点的 电位又与N点的电位相同.P点的电位跳变速度由二极管的 反向恢复时间决定.正常情况下在1s左右;而pDc的 额定值为540V,因此P点的dr~dr将达到每微秒数百伏若 光耦抗dr/de的力不强,ml3P点的电位跳变将会通过光耦 翻GTR主电路与驱动心路关 系简围 内部的寄生电容耦合,在驱动回路形成千扰棘冲,致使驱动回路产生误动作,严重时会产生 主回路GTR的直通现象.曲此,选择抗干扰能力较强的光耦是保证驱动电路正常工作的前 提.此外,驱动电源变压器也容易带来千扰,因此程设计变压器时要加强它的隔离和屏蔽作 用,使用前应先做必要的耐压实验和抗干扰实验. 2.输出采用抗饱和自适应驱动方式 驱动回路的输出最好采用抗饱和自适应驱动方式,恒流驱动是不可取的.抗饱和驱动应在 驱动电路的驱动教管予的基极实现.这种抗饱和驱动具有如下优点;在GTR的开通过程中 表现为强驱动,从而有利于开通速度的提高J在GTR导通阶段可使 GTR处于准饱和状态, 并提供相对较小的驱动电流,从而降低了驱动功率,此外,处于准饱和状态下的GTR有利 于关断速度的加抉,从而缩短了关断时间,也降低了GTR的开关损耗.而恒流驱动不具备 上述优点. 3.采用高速开关器件 驱动电路中使用的开关器件,如功率三极管, 升速率(di/dt),i~pJ?GTR的开关时间.此外, 驱动同路的稚线也应考究 4.自保护 应采用高速器件,以便提高驱动电流的上 高速器件也容易在线路中产生振荡,因此 对容量较大的GTR驱动电路,除了应具备上述几点要求以外,还应增设驱魂电路的白 保护.小容量装置受其成本和结构的限制,驱动电路的 自保护一般不予考虑;丽大容量装置,齿其中GTR的 价格较高,应尽力完替其保护措施. 图8给出了具有自保护功能的驱动电路结构框图其 t为动电源,它向GTR提供驱动功率及负封锁电 压,也为白保护电路提供工作电源;?为光电耦合输具有卣害嘞苜皂鞠驱功电路的啜理框匿 (下转第55页) 统获得良好的控制品质.该算法不需要建立 被控对象精确的数学模型,因而很适合于因 结构复杂或因具有许多不确定性因素而难以 建立精确模型的对象.该算法的实时运行表 明它具有实际应用的前景. 参考_立烈 】Zadellil.土.FzzyS….:n【,悯a?l.1l _d C0?打O】,198518:338,3,53 2MamdarfiE.H.ApPli,~ationofFuzzy AlgoritLmsotheC?trOi.Dyr,amicPia. …一……一………一…一 (上接第28页) }.r0.E匕,l9_J.18.】:js5,i.d 3(jiorisoR.M.Engir.seri~gCybL,r…t Prinr…toHal1.1975. 4ProckT.J.,imdalE.H.,iigui…t Se]一Ognj6】l.rOC~S)Co~!roir.a【leat 19i?9,l6】1530 5们哦,吕习栽.足音式智能倩节器.息,,, 9884:i,; 来稿日期1?1年3月21日 入,它接受控荆电路发出的控制脉冲,传输GTR的正常通断信号,并完成强弱电的隔离} @为GTR的通/断控铷逻辑,在正常工作时接受?的控制信号,在故障情况下接受?或?发 来的封锁信号j?为抗饱和自适应驱动电路,接受@的控制信号,进行自适应驱动或负压封 锁j?为驱动电源监视电路,当驱动电源出现意外时,发出封锁信号;?为退饱和监视电 路,当驱动功率不足或外电路出现短路故障时,向单元?发出遇饱和信号}?为圊授封锁, 将驱动同路故障信号回授到控制电路,以便形成变领装置的整机联锁. 五,短端试验 图9中给出了我所研制的Jplc一11/50型PWM变频装置(11kVA)输出端对地(盎图) 和线问短路(右图)的实测波形.该装置已通过中国电控产品检测中心的检验. 匿0短路试验电豌蛙形国 米蒋日期10午月9日