Модули igbt modullar

Для снятия достаточного тока сделаны дополнительные петли на силовых контактах (модуль выполнен под пайку).
Контакты 1,2,3; 4,5,6; 7,8,9 подключаются к питающей трехфазной сети.

Контакты 38,39,40 являются плюсовой шиной сетевого выпрямителя, а контакты 41,42,43 – отрицательной.

Контакты 33,34,35 являются плюсовой шиной выходного инверторного моста, а контакты 30,31,32 – отрицательной. Последние четыре перечисленные группы, а также контакт 29, группа 36,37 образуют выходы для звена постоянного тока.

Контакты 10, 28 служат для подключения к драйверу, управляющему работой выходной фазы частотника. Аналогичную роль играют группы 14, 26 и 18, 24 для двух оставшихся фаз. Контакты 11, 12, 13 – это выход одной фазы инвертора, а группы 15,16,17 и 19,20,21 выходы двух остальных фаз.

Правильные временные диаграммы ШИМ и достаточная эффективность драйверов, которые должны справиться с зарядкой и разрядкой емкости затвора транзистора, – это залог того, что двигатель вообще будет вращаться и ничего не сгорит. Поэтому инверторный мост предварительно надо запитать от маломощного источника постоянного тока с ограничением тока и убедиться, при помощи осциллографа, в отсутствии сквозных токов, правильности “синусов”, формируемых мостом, правильном сдвиге фаз, на всех частотах, которые выдает преобразователь. Питание управления в частотном преобразователе также подается лабораторным способом.

Сигнал обратной связи по температуре модуля также должен быть корректным. Подогревая модуль каким-либо способом в пределах 20…80°C, необходимо контролировать его фактическую температуру точным термометром. Затем найти в меню преобразователя пункт с соответствующим параметром, проконтролировать его.

Если мы убедимся, что драйверы надежно управляют модулем, а сигнал обратной связи по температуре не содержит ошибок, то тогда можно делать монтаж, собирать звено постоянного тока и затем снова сделать проверку на двигателе небольшой мощности, через предохранители, рассчитанные на соответствующий ток, включаемые в каждую фазу.

Причины нагрева модулей и необходимость их охлаждения

Поскольку наши ключи не являются идеальными, то есть, они не обеспечивают идеального короткого замыкания, то в открытом состоянии их сопротивление не равно нулю. Значит, на этом сопротивлении рассеивается джоулево тепло. Это один источник, и не самый значительный.

Кроме открытого состояния, есть еще переходные процессы, связанные с включением и выключением. В этот период сопротивление коллектор-эмиттер уменьшается от нескольких гОм, до единиц или десятков миллиОм. В момент равенства сопротивления ключа сопротивлению остальной цепи, рассеиваемая мощность достигает максимума. Затем мощность спадает до уровня открытого состояния. Получается импульс мощности. Если мы проинтегрируем его по промежутку времени, в течение которого происходит процесс включения, то найдем тепловую энергию этого импульса.

При выключении происходит нечто аналогичное, но в обратном направлении. Потери в цепи управления, на фоне потерь в силовой цепи, выглядят игрушечными ими можно пренебречь (это проблемы не потребителей, а разработчиков). Потери в открытом ключе – это понятие академическое, на практике составляют ноль безоговорочно. Картина включения и выключения IGBT хорошо показана ниже.

V( GE ) – напряжение затвор-эмиттер, I( C ) – ток коллектора.

При включении IGBT возникает импульс тока, при выключении – импульс напряжения, за счет индуктивного характера нагрузки. Динамический диапазон может быть довольно значителен, а скорость переходных процессов весьма небольшая. Чтобы подавить обратные всплески напряжения, нужны импульсные быстродействующие диоды, от которых также, в свою очередь, требуется и быстрое восстановление. IGBT переключаются с частотой ШИМ-модулятора, а это единицы и более десятка кГц.

Чем выше выбирают частоту модуляции, тем точнее можно воспроизвести синусоиду, но тем больше и потерь переключения, те больше греется радиатор модуля и тем больше радиопомех возникает. Чем меньше частота модуляции, тем легче работать модулю IGBT, но тем больше гармоник тока в силовой цепи и ее реактивная мощность. Поэтому потребителю дается возможность выбирать частоту модуляции ШИМ в пределах 2…16 кГц (разные модели частотников имеют разные диапазоны) с дискретным шагом в несколько ступеней.

На радиаторах модулей IGBT может рассеиваться мощность от единиц Вт, до нескольких кВт, в зависимости от мощности модулей. В общем и целом, можно считать, что  современные модули IGBT рассеивают в тепло около 0,3…0,5% коммутируемой мощности. Это довольно неплохо, по сравнению с техникой прежних лет.

Эксплуатация модулей на практике

Самое главное, не перегружать модули по току. С напряжением все более-менее ясно, для рекуперирования тормозной мощности и подавления всплеска напряжения на звене постоянного тока меры приняты в самом преобразователе и можно использовать тормозные резисторы.

Перегрузку по току можно условно поделить на три диапазона. Небольшая перегрузка возникает при торможении двигателя самим механизмом, с этим преобразователь справляется сам вполне корректно. Он или предупреждает пользователя, или позволяет себе немного “отдохнуть”, все зависит от настроек.

Значительная перегрузка, аварийная, возникает при заклинивании вала двигателя по каким-то причинам. В таком случае преобразователь частоты успевает отключить аварийную цепь и сигнализирует об этом на дисплее и на специальном выходе (аварийное реле).

Наконец, есть перегрузка, с которой модуль уже не справится даже в самом умном частотном преобразователе. Это короткое замыкание в кабеле от модуля до двигателя. В этом случае, поскольку индуктивности петли замыкания составляют доли мкГн, а проводимость источника тока (питающей подстанции и кабелей) очень велика, то скорость нарастания тока достигает порядка нескольких килоампер в микросекунду!

За это время не успеет сработать никакая обратная связь и модуль будет пробит током. В результате он просто расплавится. Поэтому нужно использовать только надежные двигатели и брать кабели с запасом, и по механической, и по тепловой, и по электрической прочности. Нам очень желательно иметь как можно более короткое замыкание в самом ключе, но боже упаси получить его в питаемой нагрузке. Это гарантированно убьет IGBT да и подвергнет большому риску привязанную к нему электронику.

При замене модулей IGBT следует помнить (или вообще знать), что полевые транзисторы очень легко могут быть выведены из строя подачей на затвор большого потенциала, или даже просто статического заряда от тела человека! Дорогущий модуль IGBT может быть уничтожен  пальцем в буквальном смысле, если человек заряжен статикой в сухом помещении. Поэтому ни в коем случае нельзя измерять в модуле его “исправность” различными пробниками и даже мультиметром. Перед монтажом надо убрать все статические заряды при помощи правильного заземления, использовать заземленные паяльники, а все оборудование обязательно должно быть отключено от сети. Затворы следует подключать к драйверам только после подключения всех силовых цепей модуля.

При запуске в эксплуатацию надо обязательно проверить условия охлаждения модулей, особенно при мощной нагрузке. Не всегда для этого хватает естественной конвекции, преобразователи и инверторы могут иметь вентиляторы, надо проследить, чтобы они не были перекрыты или забиты пылью. Охлаждающий радиатор заземлен (модули изолированы электрически от своей охлаждающей поверхности, так что может быть применено дополнительное охлаждение радиатора, если частотник, например, установлен в горячем месте “по необходимости”. Здесь есть над чем подумать не только местным специалистам но и производителям: на одном предприятии в жаркой котельной применялось водяное охлаждение! Радиатор был полностью переделан, и охлаждался проточной холодной водой.