短路保護是連接在電源和負載之間的器件的一種功能,當負載側短路時,可以有效地將短路點從電源上斷開。一個器件具有短路保護功能,就必須具有一定的短路分斷能力;而一個具有短路分斷能力的器件,就意味著它具有短路保護功能。
以常用的空氣開關為例。當短路電流大于空氣開關的短路分斷電流時,空氣開關肯定已經(jīng)啟動了保護,但其容量太小,分斷不了短路電流,最終會損壞。為什么它的分斷能力小于實際短路電流?一個是空氣開關的選擇,一個是電網(wǎng)的容量,因為電路中的短路電流是可以根據(jù)電路參數(shù)計算出來的,與電源容量和線路阻抗有關,也就是設計選型要考慮的。
因為變頻器(Variable-frequency Drive:以下簡稱VFD)在短路后就會直接損壞,所以沒有短路保護功能。損壞了,說明系統(tǒng)中某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問題。
VFD的輸出側沒有短路保護,因為VFD的輸出功率器件目前都是IGBT功率模塊。當VFD或負載輸出短路時,IGBT本身具有抗短路功能,鎖定不輸出電流。保護功率器件免受短路電流損壞。反之,如果加了短路保護,VFD的輸出就有了問題。首先,短路電流很快。如果IGBT不能自鎖,它將在保護自己之前完蛋。加保護也沒用,因為太快了停不下來。其次,*重要的是,IGBT工作時,負載一定不能打開,否則IGBT會因為dv/dt高而擊穿。
正因為如此,IGBT可以自己抵抗短路。也就是說,它不怕負載短路。如果VFD的輸出功率器件炸了,不是短路本身造成的。肯定還有其他原因,比如工作時負載突然開路或者過載(IGBT怕過載短路)。
一是VFD工作時,負載突然斷開(開路),此時模塊被炸。這一切都是因為此時dv/dt過高(尤其是負載較重時)。這時候線路的狀態(tài)就像帶負載*的熔刀開關。雖然VFD的輸出功率模塊具有RC阻容吸收功能,但是過高的動態(tài)電壓并不能阻止IGBT擊穿。因此,轟炸模塊此時不討論。
先說熱過載爆炸模塊,也就是VFD的輸出功率模塊,它的散熱和溫升功能都已經(jīng)設計好了,包括散熱的截面,空氣的流量或者冷卻介質(zhì)的流量等等。如果超負荷指數(shù)運行,時間越長,管道積熱越重。如果溫升超過了允許溫度,就和把模塊炸了一樣。
記得早在20世紀90年代中后期,Xi安電力電子技術研究所曾經(jīng)就IGBT電力器件進行過一次學術交流。當時國內(nèi)IGBT處于研發(fā)階段,國外產(chǎn)品應用廣泛,而國內(nèi)產(chǎn)品尚未普及。當時國內(nèi)SCR裝置已經(jīng)相當成熟,各種功率都有,但IGBT還沒有。我記得當時一個工程師做演講時說,他們做實驗的時候,IGBT不怕短路。短路的時候沒有輸出,所以很快就關了。IGBT特別怕熱,散熱不好就容易炸。因此,我對那次交流活動的內(nèi)容記憶深刻。我也知道IGBT的弱點是什么。
使用組件時,您應該了解它們的脾氣和配置。只有這樣,你才能科學、合理、正確地選擇和配置自己設計的系統(tǒng),并使其安全可靠地工作。因此大多數(shù)變頻器廠家都知道,給VFD添加輸出加開關或者保護功能都是畫蛇添足的,而且是帶負荷動作,無疑會是致命的錯誤;如果是“小馬拉大車”,偷工減料,想省點錢,也是幸運的。潛在的危險是存在的,而且非常嚴重。