停电时的故障分析

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背景

二十世纪八十年代，我自己研制的变频器正在顺利试机，单位突然停电，再开机，竟不运行了。检查的结果是逆变器件损坏了。分析其原因，则和变频器各部分的过渡过程有关。当时的逆变器件用的是大功率晶体管GTR（BJT）。虽然，现代的中小容量变频器因为使用了IGBT，已经解决了这个问题。但GTR并未完全退出变频舞台，所以，分析其损坏过程，仍有一定价值。

变频器里的直流电源

主电路的直流电源

1．主电路的结构

主电路的直流电源已如前述，由三相全波整流电路加滤波电容器构成。这里不再赘述。

2．突然停电后的过渡过程

当突然停电时，变频器的框图如图1a）所示。由于逆变桥还在工作，滤波电容器CD迅速放电，直流电压UD迅速下降，电压曲线如图1b）中之曲线①所示。曲线②是曲线①的切线，τD是UD下降的时间常数。由曲线①知，电压的下降是很快的。但因为电压的初始值很大，下降过程的总时间并不很短。

图1 主电路停电后的直流电源
a）停电后的主电路b）电压的衰减曲线

驱动电路的直流电源

1．对驱动电源的要求
       
驱动电源需要解决两方面的问题：
       
一方面，它应能使晶体管迅速进入饱和导通状态，如图2a）所示；
       
另一方面，在饱和导通的状态下，又能使晶体管迅速截止。为此，采取了两个措施：
       
（1）关断时，在基极和发射极之间加入反向电压，使晶体管容易截止，如图2b）所示。
       
（2）当晶体管饱和导通后，应适当降低驱动电压，使晶体管退出深度饱和的状态，如图2c）所示。

图2 变频器对驱动电源的要求
a）开通时要求b）关断时要求c）驱动电源的电压

2．驱动电路的结构
       
驱动电路的结构框图如图3a）所示，其负载是晶体管的B-E结。根据驱动电路对电源电压的要求，滤波电容器CB的容量不宜太大。

3．突然停电后的过渡过程
       
一方面，由于CB的容量不大，另一方面，其输出电流又并不小，所以，停电后，电压UB和驱动电流IB将衰减得很快，如图3b）中的曲线①所示。

图3 驱动电路的电源
a）电路框图b）停电后的过渡过程

控制电路的直流电源

1．控制电路的电源结构
       
控制电路的主体是中央处理器（CPU），它对电压稳定度的要求极高。在图4a）中，W1是开关电源输出变压器的一次绕组，CPU的电源从二次绕组之一取出。

本来，开关电源本身就具有稳压功能，但为了增强CPU电源的稳定度和抗干扰能力，又增加了稳压电路，如图4a）所示。图中，7805是集成稳压电路，滤波电容器C01的容量很大，以保持直流电压更加稳定。C02和C03用于抗干扰。

图4 控制电路的直流电源
a）电源框图b）停电后的过渡过程

停电时逆变管损坏的原因

逆变用晶体管的额定功率

1．晶体管的功耗
       
众所周知，晶体管有三个工作状态：截止状态、饱和导通状态和放大状态。今假设某晶体管的额定数据是：1200V、100A、500W。则在三个状态之下的功耗如图5所示。
       
（1）截止状态的功耗

在截止状态，集电极只有1mA的漏电流，电阻RC上的电压降几乎为0，晶体管的管压降和电源电压近乎相等，晶体管的功耗只有0.5W，如图a）所示；
       
（2）饱和状态的功耗

在饱和导通状态，集电极电流为100A，晶体管的管压降为2.6V，功耗为260W，如图b）所示；
       
（3）放大状态的功耗
       
以某放大状态为例，集电极电流为50A，集电极电阻RC上的电压降为248V，晶体管的管压降为252V，功耗高达2.6kW。大大超过额定功耗。所以，开关晶体管只能用在开关状态，绝对不允许在放大区停留。

图5 晶体管的功耗
a）截止状态b）饱和状态c）放大状态

变频器停电时的状态

正常情况下，应该首先使变频器停止工作，然后切断电源。

如果变频器在正常运行的状态下突然切断电源，情况如何呢？
       
1．基极电流
       
如上述，停电后，基极驱动电路的电压下降得很快，故基极电流也很快减小。假设，在tX时间内，基极电流从额定状态的1.5A减小为0.375A，晶体管进入放大状态，集电极电流减小为20A，如图6a）所示。
       
2．主电路电压
       
主电路电压也下降得很快，但因为初始值很大，所以，在相同的tX时间内，虽然下降得只有额定电压的30%，但仍有150V。
       
3．晶体管的功耗

集电极电流的减小，使RC上的电压降为100V，而晶体管的管压降减小为50V，晶体管的功耗为1000W，是额定功耗的2倍。所以，晶体管必烧无疑。
       
变频器的逆变器件改用IGBT管以后，因为其控制极电流极小，驱动电路的电压不会很快下降，上述现象基本上不再发生。

图6 突然停电的结果
a）基极电流b）主电压c）饱和状态d）放大状态
       
小小体会
       
当电源电压突变时，分析各部分电路的暂态过程是十分重要的，也是解开各种迷团的主要途径。

节选自《张燕宾电工实践》

王栋春

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