第三讲变频器电路结构

博识通咨询有限公司北京精诚智和教育科技有限公司与您共创美好未来李岩：13998887749•三．变频调速与直流电动机的比较•迄今为止，变频调速在绝大多数领域都已经赶上或超过了直流电动机，这里只举两个例子。•（1）拖动二次方律负载•风机、水泵等属于二次方律负载，其机械特性如图9a）中之曲线①所示。由于转速越低，负载的阻转矩越小，因此，异步电动机在无补偿情况下，低频运行时转矩减小的缺点反变成了优点，如图a）中之曲线②所示。如果用直流电动机拖动二次方律负载，则低速运行时，将处于严重的“大马拉小车”的状态，如图a）中之曲线③所示。图9变频调速与直流电动机的比较a）拖动二次方律负载b）变频调速机械特性c）直流电动机机械特性•（2）额定转速以上的特性•一方面，如上述，两个电路互相独立是直流电动机的优点之一。•另一方面，直流电动机在额定转速以下调速时，其机械特性之所以能十分“平直”，是因为在调速装置中加入了两个反馈系统：电流反馈系统（内环）和转速反馈系统（外环）。•但是，这两个反馈系统只能加到一个独立电路（电枢电路）上。所以，当通过减小励磁电流，在额定转速以上调速（弱磁调速）时，电动机的机械特性将得不到改善，如图9c）所示。•而变频调速中的矢量控制方式，虽然是模拟了直流电动机的结果，但受控的三相电路实际上并未分开。所以，即使在额定转速以上，矢量控制方式仍能适用，故机械特性较好，如图9b）所示。四变频器电路结构•变频器分为主电路和控制电路。各种变频器控制电路的差异是很大的，但主电路的结构却基本相同。此外，许多故障现象都可以通过主电路来进行分析。所以，记住主电路的结构与特点具有十分重要的意义。所有变频器其基本结构相同，但具体电路各有差异。主电路控制电路系统组成M3~电压检测泵升限制电流检测温度检测电流检测单片机显示设定接口PWM发生器驱动电路~URUIR0R1R2RbVTbK限流电阻滤波电容泵升限制电路进线电抗器图10变频器结构图A.主电路(主回路)①整流电路:将三相交流电变成脉动直流电②滤波电路:使脉动直流电成为较平滑的直流电电容器电压型变频器电感器电流型变频器③限流电路:限止刚接通电源时的充电电流，以保护整流二极管④制动电路:吸收泵生电压和增大电机制动转矩⑤逆变电路:在驱动电路的控制，将直流电变成交流电.滤波元件B.控制电路①保护电路:由取样、放大、处理三部分电路组成②驱动电路:把CPU送出的PWM信号进行电压和功率放大，控制逆变电路中六个开关器件③I/O电路:处理变频器对外输入和输出相关信号的电路④操作面板:一是用于显示，另外作为操作键盘⑤CPU:变频器的核心电路，按照相关信号控制变频器的工作⑥开关电源:向控制电路提供所需的直流工作电压图22主电路全貌RectifierwithaLargeFilterCapacitor•OutputvoltageisassumedtobepurelydcThree-PhaseRectifierWaveforms•PSpice-basedanalysis图11全波整流电路与判断a）全波整流电路b）整流模块的判断••（一）．交－直变换特点•交—直变换电路就是整流电路和滤波电路，其任务是把电源的三相（或单相）交流电变换成平稳的直流电。由于整流后的直流电压较高，且不允许再降低，因此，在电路结构上具有特殊性。•1．全波整流电路•（1）整流电路•在SPWM变频器中，大多采用桥式全波整流电路。在中、小容量的变频器中，整流器件采用不可控的整流二极管或二极管模块，如图11a）所示。•三相全波整流后的电压波形如图a所示，它具有6个波头，故也称为6波头整流。•2．滤波与均压电路•三相全波整流后的电压波形脉动较大，需要进行滤波。由于受到电解电容的电容量和耐压能力的限制，滤波电路通常由若干个电容器并联成一组，又由两个电容器组串联而成，如图12中的CF1和CF2所示。因为电解电容器的电容量有较大的离散性，故电容器组CF1和CF2的电容量常不能完全相等，这将导致它们承受的电压UC1和UC2不相等，承受电压较高的电容器组将容易损坏。•为了使UC1和UC2相等，在CF1和CF2旁各并联一个阻值相等的均压电阻RC1和RC2，如图12所示。图12滤波与均压电路•3．限流电路•变频器在接入电源之前，滤波电容CF上的直流电压UD＝0。因此，当变频器刚接入电源的瞬间，电源进线之间，犹如被短路了一般，使电源电压瞬间下降而形成干扰。与此同时，将有一个很大的冲击电流iC经整流桥流向滤波电容，如图13a）所示，使整流桥可能因此而受到损害。•为此，在整流桥和滤波电容器之间，接入一个限流电阻RL，把充电电流iC限制在一个较小的范围内，如图b）所示，以消除刚接通电源时的冲击。•限流电阻RL如果常时间接在电路内，会影响直流电压UD和变频器输出电压的大小，同时，也增大了电路的损耗。所以，当UD增大到一定程度时，必须把RL短路掉。短路所用器件大多由晶闸管或接触器构成，在容量较小的变频器中，也常由继电器的触点构成，如图13b）所示。图13限流电路a）未限流的情形b）限流后的情形•4．直流电压指示电路•图14直流电压指示电路•直流电压指示灯HL并不在面板上进行显示，通常是在主控板上。其主要功能并不表示电源是否接通，而是在变频器切断电源后，表示滤波电容器CF上的电荷是否已经释放完毕。•如图14所示，由于CF的容量较大，而切断电源又必须在逆变电路停止工作的状态下进行，所以CF没有快速放电的回路，其放电时间往往长达数分钟。又由于CF上的电压较高，如不放完，对人身安全将构成威胁。故在维修变频器时，必须等HL完全熄灭后才能接触变频器内部的导电部分，所以，HL的作用主要在于保护人身安全。图14直流电压指示电路•2制动单元的基本原理•（1）制动单元的作用如图3a）所示：•UD＞UDH→BV导通；•UD＜UDH→BV截止。•这里，UD—直流主电路的电压，V；•UDH—直流电压的上限值，V；•BV—制动单元。•（2）制动单元的框图和原理如图3b）所示：•UA是与电压上限值UDH（700V）对应的基准电压；•US是与UA直流电压的实际值对应的采样电压。US和通过比较器进行比较后工作如下：•UD＞UDH→US＞UA→比较器输出为“＋”→驱动电路输出为“＋”→BV导通；•UD＜UDH→US＜UA→比较器输出为“－”→驱动电路输出为“－”→BV截止。图3制动单元的构成a）在电路中的位置b）制动单元的框图•（二）．直－交变换•逆变桥电路由图15a）中的开关器件V1～V6构成，其功能是把直流电转换成频率可调的三相交流电。目前，中小容量的变频器中，开关器件大多使用IGBT管。•1.反向二极管的作用•图15中，每个逆变管旁边，都反并联一个二极管（VD7～VD12）。其作用是：•（1）为电动机绕组的无功电流返回直流电路时提供通路。如图b），在电动机状态下，电流比电压滞后φ1角，电流的瞬间流向如下：图15逆变桥与反向二极管的作用a）逆变桥电路b）电动机状态的电流波形c）电动机的状态d）再生状态的电流波形•在0～t1期间，电流与电压是反方向的，说明是反电动势克服外加电压而作功，这时的电流便是通过反向二极管从电动机流向直流回路的；•在t1～t2期间，电流与电压是同方向的，说明是外加电压克服反电动势而作功，这时的电流便是通过IGBT管从直流回路流向电动机的。•（2）当由于某种原因，电动机转子的实际转速高于同步转速时，反并联二极管（续流二极管）的作用是，为电动机的再生电能反馈至直流电路提供通路。如图d），在发电机（再生）状态下，电流与电压之间的相位差角超过了π∕2，从而，通过反向二极管流向直流回路的电流大于通过IGBT管流向电动机的电流，从整体效果上看，电动机是在“发电”。•（3）反并联二极管（续流二极管）为电路的寄生电感在逆变管交替导通过程中释放能量提供通路。•3.逆变管的缓冲电路•缓冲电路的主要作用是减小IGBT从饱和转为截止时，C－E之间的电压变化率。基本缓冲电路的结构如图17所示。以VT1为例，说明如下：•当VT1从饱和状态转为截止状态时，C－E间的电压将由接近于0V迅速上升至直流电压值UD（≈513V），这过高的电压变化率将使IGBT容易损坏。•图中，减小电压变化率的关键元器件是电容器C01，如图a）。因为C01两端的电压不能跃变，这就减缓了UCE的上升速率。•在VT1截止期间，C01上的电压将充至513V。当VT1又转为饱和导通时，C01上的513V电压将直接向VT1放电，产生十分强大的冲击电流，足以导致IGBT的损坏。为了减小放电电流，在放电回路中串入了电阻R01，如图b）所示。•但R01的接入，又将影响C01减缓电压变化率的作用。为此，用一个二极管VD01和R01并联，如图c）所示。由于二极管具有箝位作用，所以，当VT1从饱和转为截止时，C01减缓电压变化率的作用不受影响；而当VT1从截止转为饱和时，C01的放电电流则能够被R01削弱。•实际的缓冲电路常在此基础上进行许多改进和补充，这里不再赘述。图17逆变管的缓冲电路a）接入电容器b）接入电阻c）接入二极管•4.输出端不允许接电源•逆变电路的输出端是绝对不允许和电源相接的，举例说明如图18所示。•假设在某一瞬间，电源电压为L1“＋”，L2“－”，在同一瞬间，恰值V3导通，则电流从L1经VD7、V3至L2，形成短路，V3管将立即损坏。V3和V6是交替导通的，中间只间隔几个微秒（μs），所以，V6也随即损坏。又由于双极性调制时，V1、V3、V5工作时间的间隔也只有几个微秒，而L1与L2之间线电压的维持时间为10ms（50Hz时的半个周期）。所以，转瞬之间，6个逆变管将损坏殆尽。•因此之故，变频器主电路的输入端和输出端之间是绝对不能接错的。图18逆变电路与电源相接•5．输出端不能接电容•如图19所示，如果在逆变电路的输出端接入了电容器，则：当与直流电路“＋”端相接的逆变管（V1、V3、V5）导通时，逆变管将额外地增加了电容器的充电电流；而当与直流电路“－”端相接的逆变管（V4、V6、V2）导通时，逆变管将额外地增加了电容器的放电电流。由于充电电流和放电电流的峰值往往是很大的，所以，将影响逆变管的使用寿命。如电容器的容量较大时，甚至可使逆变管立即损坏。•所以，变频器的输出端是禁止接电容器的。图19输出端接电容•（三）．变频器主电路•主电路的全貌如图22所示。•由图知，从电路的角度看，整个电路分成了三个部分：•1.输入电路•即从电源输入到变频器的电路，电压为电源电压US，电流即变频器的输入电流IS。•2.直流电路•即整流滤波后的电路，电压为UD，电流为ID。•3.输出电路•即从变频器输出到电动机的电路，如上所述，输出电压UMX的大小随输出频率fX的大小而变，输出电流IM则取决于电动机的工况。•（四）．控制框图•变频器的控制框图如图23所示，其中，主控电路相当于人的大脑，起着十分关键的作用，今就其主要功用介绍如下：图22主电路全貌•如图VaconNX变频器的结构框图。这种变频器在机械上由两个单元组成：功率单元和控制单元。•主电源端的三相交流电抗器(1)和直流桥电容器(2)一起，组成LC滤波器，再加上二极管桥就产生了IGBT逆变桥模块(3)所需的直流电压。交流电抗器的作用是抑制从电源到变频器或变频器内部产生的对电源侧的高频扰动。它同时也可改善变频器的输入电流波形。这样使得变频器从电源侧吸收的功率几乎都是有功功率。•IGBT桥产生作用于电机的对称三相交流PWM交流电压。•“电机及应用控制”模块是基于微处理软件。微处理器根据检测信号、参数设定值和来自“控制I/O”模块及控制面板的指令对电机进行控制。“电机及应用控制”模块向电机控制专用集成电路发出指令，该电路计算出IGBT的开关位置，门极驱动器对这些信号进行放大，用来驱动IGBT逆变桥。变频器实物操作面板操作面板ABCDE电路主体结构电路主体结构•1．接受各种信号•主要有：•（1）从键盘或外接输入端子输入的给定信号和控制信号；•（2）从电压、电流采样电路以及其他传感器输入的运行参数，等。•2．进行基