第六章《变频器内部结构》(修改版)

主讲：王兆义主办单位：新疆博识通咨询有限公司中国工业自动化培训网第六章：变频器内部结构6.1变频器的组成变频器为了适应工程需要，要有一系列控制端子，要有操作面板，要能够进行程序的读出写入，变频器内部，为了进行工作时的保护，要设置相应的保护电路。第六章：变频器内部结构•变频器结构框图第六章：变频器内部结构第六章：变频器内部结构第六章：变频器内部结构第六章：变频器内部结构第六章：变频器内部结构第六章：变频器内部结构6.1.1主电路整流电路、起动保护、滤波电路、逆变电路、指示电路、制动单元、输入端子、输出端子。第六章：变频器内部结构•1.整流电路•VD1—VD6整流二极管，c1、c2，滤波电容，RL，限流电阻。第六章：变频器内部结构•2.制动电路•图中RB电阻和VTB是制动选件，当电动机产生回馈电能，使UPN电压达到700V，VTB受控导通，电动机的机械能转换成的电能通过RB电阻消耗，电动机得到制动力矩停止。第六章：变频器内部结构•3.逆变电路•将直流电转换为三相交流电•图中，VT1—VT6，逆变管，VD7—VD12，续流二极管第六章：变频器内部结构1）逆变原理下面分析怎样将一个直流电变为正弦波的问题。①采样原理PWM技术的理论基础是采样控制理论中的面积等效控制原理。即：加在惯性环节上的窄脉冲，尽管形状不同，只要面积相等，其作用在惯性环节上的效果相同（惯性环节就是电感、电容）。第六章：变频器内部结构②脉宽调制波SPWM：将一个正弦波电压分为N等份，并把正弦曲线每一等份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替，脉冲的宽度与正弦波的大小成正比，这样得到的脉冲列，就是SPWM波。实际应用中SPWM波的形成：调制方法：利用载波和调制波相比较方式来确定脉宽和间隔。调制波ur：所希望生成的等效正弦波载波uc：等腰三角波或锯齿波第六章：变频器内部结构2)sPWM波的生成按照调制脉冲的极性关系，PWM逆变电路的控制方式分为：①单极性控制:任一时刻载波与调制波的极性相同，在任意半个周期SPWM波单方向变化；正半周：ur＞uc时，有脉冲；ur＜uc时，无脉冲。副半周：ur＜uc时，有脉冲；ur＞uc时，无脉冲。第六章：变频器内部结构•2)双极性控制：载波双方向变化，在任意半个周期SPWM波双方向变化；•ur＞uc时，正脉冲；•ur＜uc时，负脉冲第六章：变频器内部结构3)三相逆变波形加在6只逆变管上的信号都为开关信号，6只逆变管就相当于6个开关，管子导通相当于开关闭合，截止时相当于开关断开。第六章：变频器内部结构4.开关器件1）二极管二极管是单向导电器件，加正向电压，导通，相当开关闭合；加反向电压，截止，相当于开关断开第六章：变频器内部结构2）绝缘栅双极晶体管（IGBT）①结构及外形IGBT是MOS和GTR取长补短相结合的产物，具有栅极G、集电极C、和发射极E的三个引出端。第六章：变频器内部结构②工作特点：当uGE≤UGE(th)（开启电压）时，IGBT截止，无iC；当uGE﹥UGE(th)时，uCE加正压，IGBT导通，其输出电流iC与驱动电压uGE基本呈线形关系。如图所示为IGBT的驱动电压uGE与输出电流iC的关系，此曲线称为IGBT的转移特性曲线。③参数：IGBT工作时，UGE导通电压15V、关断电压-5V。开关频率小于100kHz。第六章：变频器内部结构6.1.2其他电路1.输入端隔离电路变频器有一系列的输入端子，这些输入端子和CPU是通过隔离电路联系的。输入端隔离电路出了问题，影响端子的正常输入，因为每个输入端子独立连接一只光电耦合器，哪一只光电耦合器出了问题，那一路输入端子不能正常工作。第六章：变频器内部结构•2.I-U转换电路•该电路是模拟输入电压、电流、以及模拟输出指示端子的转换电路。该电路出了问题，会影响这几路信号的正常工作。第六章：变频器内部结构•3.DC/DC电源•这是变频器除了主电路之外所有电路的供电电源。它出了故障，整个变频器停止工作。因为该电源的输出端是分组输出，哪一组出了问题，影响那一组所对应的电路。第六章：变频器内部结构•开关电源电路图•图中L1为一次电路，L2、L3、L4、L5为二次电路，工作时一次电路导通，二次电路截止，一次电路截止时，二次电路导通。二次电路的输出电压由开关管的脉冲宽度调节。•开关电源容易损坏的元件是滤波电容、整流二极管、开关管。第六章：变频器内部结构•4.过压/欠压保护电路•该电路是直流母线电压的检测电路，检测直流母线欠压或过压。该电路出了问题，一是不能正确的提供检测保护信号，产生误报；二是失去保护功能，使制动电阻不能工作，引起主电路过压而损坏。第六章：变频器内部结构•5.驱动电路•该电路是将CPU输出的PWM信号进行放大，驱动IGBT开关工作。该电路和主电路紧密相连，是很重要，又容易出故障的一部分电路第六章：变频器内部结构•1）驱动电路隔离放大、驱动放大电路、驱动电路电源①光耦隔离电路图中IC为PWM输出和驱动电路的隔离电路。当驱动电路损坏不至于将故障扩大到PWM发生电路。②V1为第一级放大；V2、V3为输出跟随器，提高输出能力。③图中稳压管DZ使电源电压稳定在20V。注：隔离电路中的光耦隔离集成块容易损坏。第六章：变频器内部结构•2）驱动电路和电源的连接电路作用：为驱动电路提供直流电源。该电路由一只5V稳压管取得5V电源，加在IGBT开关管的发射极上，使驱动信号在零时，保证IGBT控制极为5V的负电压，使管子可靠的截止。该电源需要4组，三个带浮地，一个直接接地。该电源由变频器的DC/DC直流电源提供。第六章：变频器内部结构6.保护电路•是保护逆变桥过流、过压、过载等的保护电路。它由检测、放大、模/数转换等电路组成。该电路出了故障，一是误报；二是失去保护功能，造成逆变桥的损坏。第六章：变频器内部结构•1）电流检测电路•通过检测变频器的输出电流，进行过流、过载计算，当判断为过流、过载，立即封锁变频器的输出脉冲，使PWM电路停止工作。R121为检测电阻，检测电流为1A。•(检测电流为100A,R121为0.015)。第六章：变频器内部结构•2）直流电压检测电路•为保证电网电压变化时，仍能保证U/f=C的控制方式，由该电路实时检测直流电路的电压Ud,根据Ud的变化调整PWM波的占空比。第六章：变频器内部结构•7.操作面板•操作面版是采用接插件连接，接触不良，会引起个别功能消失，供电不良会引起黑屏。个别功能部件失灵，可能是按键接触虚。第六章：变频器内部结构•8.开路集电极输出端子•该端子由隔离电路（与CPU隔离）。因为使用的原因损坏率较高。一般属于开路晶体管过流所致。判断较容易，因为其他几路如果是好的，只此一路有问题，可断定该只管子有问题；如果各只管子都有问题，则可能问题出在单片机。第六章：变频器内部结构•9.故障接点开关•该开关主要为变频器的故障报警用，当变频器出现故障时，该端子输出故障信号。第六章：变频器内部结构•10.单片机•单片机又称CPU，是整个变频器的核心器件，如同人的大脑，输出各种控制信号和处理输入、检测等信号。•CPU是集成电路，又经过层层保护，故障率很低。正常工作时的损坏率很低，雷击、变频器电源引起的过压、工作环境潮湿、静电感应等可能引起损坏。在故障维修时，没有充分的理由，不要轻易怀疑单片机有问题。因为单片机有问题，就得换主板。第六章：变频器内部结构•11.16MHz晶振•晶振是CPU的主频震荡器震荡器件。它不是一个很耐用的器件。在众多的电子设备中，晶振的损坏时有发生。因为他的结构是两个金属片中夹着一块晶体，晶体怕震、怕氧化。晶振出了问题，整个变频器都不能正常工作。晶振结构第六章：变频器内部结构•6.2高压变频器主电路拓补结构•按照电压的划分，低于1kV，称为低压；大于lkV、小于10kV,称为中压，10kV以上，称为高压。•我们习惯上把额定电压为6kV或3kV的电动机称为“高压电动机”，因此，我们也把工作电压在1～lOkV的变频器统称为中(高)压变频器。•中（高）压变频器因为工作电压升高，开关器件因为受到耐压的限制，不能完全承受电源的高电压，使主电路和低压变频器有了很大的区别。为了使变频器能工作在高电压，人们研究出了多种不同的电路结构。第六章：变频器内部结构•1.高-低-高变频器•它是把电网的高压或中压经降压变压器降为低压，通过低压变频器变频，然后再经升压变压器将低压升为中压，供给电动机运行。实际上这种电路结构所用的变频器为低压变频器。第六章：变频器内部结构•2.高—中型•高—中型变频器是把电网的高压经降压变压器•降为中压，送入中压变频器，中压变频器的输出驱动电动机。第六章：变频器内部结构•功率单元串联高压变频器•功率单元串联高压变频器，属于“高—中型”变频器。主电路是利用移相变压器降压，再通过多个低压变频功率单元串联组成。各功率单元分别由多绕组移相降压变压器的一组二次绕组供电。多绕组移相降压变压器是功率单元串联高压变频器电路中的一个重要部件。第六章：变频器内部结构•功率单元为三相输入、单相输出的交—直—交PWM型变频器结构(见图1)。将相邻功率单元的输出端串接起来，形成Y联结结构(见图2)，实现变频的高压直接输出，供给高压电动机。每个功率单元分别由输入变压器的一组二次绕组供电，功率单元之间及二次绕组之间相互绝缘。第六章：变频器内部结构•逆变器输出采用多电平移相式PWM技术，同一相的功率单元输出相同幅值和相位的基波电压，但串联各功率单元的载波之间互相错开一定角度，实现多电平PWM，输出电压非常接近正弦波（输出PWM波如图所示）。•该变频器由于输入输出波形好，被人们称为“完美无谐波变频器”，有的资料中也称为绿色变频器。第六章：变频器内部结构•3.高—高型•高—高型变频器的电路结构如图所示。它是直接将电源高压加到变频器，通过变频器整流、逆变驱动高压电动机。•高压变频器从电路结构上最简单，但要解决开关器件的串联均压等技术问题。第六章：变频器内部结构•成都佳灵电气制造有限公司根据十几年生产变频器的经验，攻克了器件串联的技术难关，在1999年研究出了具有自主知识产权的直接串联IGBT中压变频器，并申请了专利。第六章：变频器内部结构•.电路的优缺点•1）优点•直接串联变频器电路结构简单，省掉了输入输出变压器，节省了成本和占地面积。由于没有了变压器大量的接头，减少了接头的发热损耗和故障率，工作效率高（效率可达98%）。直接串联变频器可以像低压变频器一样加直流制动电路或能量回馈，其动态性能也可以像低压变频器一样优越，调速范围宽。是高压变频器的一种良好机型和发展方向。•2）缺点•输入电路采用直接整流，输入电流谐波大。为了减小对输入的影响，可在输入端加入滤波器或采用PWM整流（电路如下图），达到完美无谐波。第六章：变频器内部结构PWM整流高压串联变频器第六章：变频器内部结构