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摘要：社会经济的飞速发展，对变频器使用的整体水平与质量提出了越来越高的要求。尤其是其中的IGBT模块，它的效用程度好坏直接关系到各种作业的数量与质量，更关系到未来的发展与进步。
关键词：变频器；IGBT；开路故障；诊断方法
1 IGBT概述
IGBT是强电流、高电压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)数值高的特征，IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然最新一代功率MOSFET器件大幅度改进了RDS(on)特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT 技术高出很多。较低的压降，转换成一个低VCE(sat)的能力，以及IGBT的结构特性，同一个标准双极器件相比，IGBT可支持更高电流密度，并简化了其驱动器的原理图。
IGBT是一种功率晶体，运用此种晶体设计之UPS可有效提升产品效能，使电源品质好、效率高、热损耗少、噪音低、体积小与产品寿命长等多种优点。
2 IGBT的主要作用
IGBT是双极型晶体管（ BJT ）和 MOSFET 的复合器件， IGBT将BJT的电导调制效应引入到 VDMOS 的高阻漂流区，大大改善了器件的导通特性，同时它还具有MOSFET 的栅极高输入阻抗的特点。IGBT所能应用的范围基本上替代了传统的功率晶体管。绝缘栅双极型晶体管本质上是一个场效应晶体管，在结构上与功率MOSFET 相似，只是在原功率MOSFET 的漏极和衬底之间额外增加了一个P+型层。小功率应用一般会使用IGBT单管，大功率应用一般是IGBT模块。
3 变频器IGBT开路故障诊断
变频器中IGBT开路故障是一种出现频率较高的硬件故障，这种故障多发生于操作不当或意外过流、硬件没能及时保护变频器，除此外IGBT开路故障还包括驱动开路故障。无论是发生那种类型的故障，只能停机维修或者更换变频器，严重影响设备的正常运行。
IGBT开路故障诊断也有硬件法和软件法之分，硬件法诊断速度快，能及时隔离故障。但硬件法需要测定逆变器特定点的电位，并结合PWM控制，来进行故障诊断。显然硬件法会增加系统成本，且由于逆变器死区时间的存在，使得用硬件诊断IGBT开路故障的方法可靠度降低，在死区调整后，又无法很好的配合故障诊断方法，因此这种方法的通用性较差。
软件诊断法较易实现，目前有多种软件诊断IGBT开路故障的方法，其中三相电流平均值法最为简洁，它是基于计算电机电流平均值的诊断方法。利用三相电流平均值法诊断IGBT开路故障时，鉴于系统噪声的存在，必须设定一个合适的阈值才能较好的诊断IGBT开路故障。阈值的大小关系到故障诊断的灵敏度，其值如较大则不易判断出故障；如较小则该方法较灵敏，因此，需要合理取值。
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4 变频器IGBT开路故障诊断方法分析
在变频器−电机构成的控制系统中任何一个功能单元、任何一个元器件发生故障都是可能的，其中逆变桥 IGBT 的开路和短路故障占了相当大的比重。所以针对上述故障的诊断方法是高故障容限变频器研究的热点问题。 IGBT的短路故障已有成熟的方案，即通过硬件电路检测IGBT 的D-S压降，可以准确判别故障管。IGBT 开路故障也时有发生，一方面是由于过流烧毁，导致开路，另一方面是由于接线不良、驱动断线等原因导致的驱动信号开路。相对于短路故障而言，开路故障发生后往往电机还能够继续运行，所以不易被发现，但其危害较大，因为在此情况下其余 IGBT将流过更大的电流，易发生过流故障；且电机电流中存在直流电流分量，会引起转矩减小、发热、绝缘损坏等问题，如不及时处理开路故障，会引发更大的事故。
归纳国内外学者在IGBT 开路故障诊断方法上所展开的研究，主要有专家系统法、电流检测法和电压检测法三种。专家系统法基于经验积累，将可能发生的故障一一列出，归纳出规律并建立知识库，当发生故障的时候只需要观测故障现象，查询知识库即可判断故障类型，难点在于难以穷尽所有的故障现象并得到完备的故障知识库，而有些故障模态往往与变频器正常运行时的某种状态时非常相似，造成了难以准确匹配故障。电压检测法通过考察变频器故障时电机相电压、电机线电压或电机中性点电压与正常时的偏差来诊断故障。只需要四分之一基波周期便能检测出故障，大大缩短了诊断时间，只是这种方法需要增加电压传感器，通用性差。电流检测法最为常用，其又派生出平均电流 Park矢量法、单电流传感器法和电流斜率法等，平均电流 Park 矢量法以 Coimbra 大学的 J.A.ACaseiro 教授发表的几篇文章为代表。该方法在α β − 坐标系下进行，通过 3-2变换得到Iα和Iβ, 在一个电流周期内求其平均值，根据平均值求得平均电流 Park矢量。 故障出现时 Park 矢量将不为零，通过判断其幅值和相位确定哪只 IGBT 出现故障。平均电流 Park 矢量法的缺点在于其对负载敏感， 负载不同情况下，Park 矢量电流大小不同，会造成评价故障的标准不统一。电流矢量斜率法根据故障前后定子电流矢量轨迹斜率的不同来诊断故障，缺点在于该方法极易受到干扰而导致误判。
5 预防措施
5.1 修正电控参数，完善保护范围
积极加强变频器的正常工作情况，比如安全回路在良好运行的状态下，能够自身迅速地停止工作。而且尽可能地减少或避免IGBT模块温度升高的情况，这时需要相关人员的积极调整。
5.2 提升维护人员及操作司机的技术素质
积极通过事故查找深刻广泛的原因，这样可以有效地检测变频器维修维护相关人员的在哪种程度上技术素质偏低的存在，查漏补缺，积极把握其故障点的准确程度与定位，加强平时电控系统日常维修维护的自信心与勇气，增强其胆量与仔细程度，这样可以有效地避免在本身没有故障的情况下，反而造成了大量的故障。因此，要积极地提升自己的技术水平，减少日常事故的发生率，另一方面积极邀请专家的指导，多吸取经验与教训，多总结科学的规律，以更好地应对。
5.3 改善电控室的降温方法
加强改换电控室的降温方式，这样可以积极保证其降温效果，而且可以防止其出现积尘，比如换气降温，比如空调降温，给变频器和IGBT模块等创设一个无比美好的运行环境。这样对对于温度地过度升高导致的缺陷一种弥补与缓解，另一方面也是对其更好的防范措施。
结语
随着变频器应用范围的扩大，变频器在使用时候出现的问题大致上是一致的，我们要更好的掌握变频器可能出现的问题和处理方法，在变频器IGBT系统发生问题的时候，我们要通过积极的故障原因分析，更好的处理日常出现的故障，思考如何最大效益化的工作。
参考文献
[1]李克奇.矿井提升机变频器IGBT模块故障防范的探讨[J].能源技术与管理，2011(6).
[2]高立平.低压变频器IGBT模块烧毁原因分析及控制回路改进[J].自动化应用，2010(6).
[3]李克奇.矿井水泵系统变频器IGBT模块故障防范的探讨[J].能源技术与管理，2011（06）.
[4]高立平.低压变频器IGBT模块烧毁原因分析及控制回路改进[J].自动化应用，2010（06）.
论文作者:张梦丽,董建华
论文发表刊物:《基层建设》2017年第30期
论文发表时间:2018/1/20
标签：故障论文; 变频器论文; 开路论文; 电流论文; 方法论文; 功率论文; 矢量论文; 《基层建设》2017年第30期论文;