小孙学变频(1-6讲全本)

＊小孙学变频＊一．变频器的主电路（一）张燕宾小孙是蓝天公司的电气工程师，多年来从事电子设备的维修工作。近几年来，各种设备里应用的变频器越来越多，小孙被安排来专门从事变频器的调试和维护。这一天，小孙从仓库里领出了一台变频器，打算配用到鼓风机上。按照规定，先通电测试一下。谁知一通电，就发现冒烟，立刻切断了电源。把盖打开后，发现有一个电阻很烫。小孙想，在开盖情况下再通电观察一次。这一回，电阻倒是不冒烟了，但不一会儿，变频器便因“欠压”而跳闸了。用万用表一量，那个电阻已经烧断了。经人介绍，小孙找到了一位退休老高工张老师。“你们那台变频器在仓库里存放了多长时间？”听完了小孙的情况介绍后，张老师问。“大约一年多一点。”“我知道了。”张老师胸有成竹地说。“在分析电阻冒烟的原因之前，先要弄清楚变频器里整流滤波电路的特点。”“老师，我不大明白，变频器的中间为什么要加进一个直流电路呢？”“好吧，那我们就先从交－直－交变频器的基本结构讲起。”张老师拿了一张纸，不紧不慢地画出了交－直－交变频器的框图，如图1－1所示，然后说：“你瞧，电网的电压和频率是固定的。在我国，低压电网的电压和频率统一为380V、50Hz，是不能变的。要想得到电压和频率都能调节的电源，必须自己‘变出来’，才便于控制。所谓‘变出来’，当然不可能象变魔术那样凭空产生出来，而只能从另一种能源变过来。这‘另一种能源’，便是直流电。因此，交－直－交变频器的工作可分为两个基本过程：（1）交－直变换过程就是先把不可调的电网的三相(或单相)交流电经整流桥整流成直流电。（2）直－交变换过程就是反过来又把直流电“逆变”成电压和频率都任意可调的三相交流电。你方才说的那台变频器的问题，我的判断是出在‘交－直变换’里。我们就来讨论这部分电路吧”。1．交－直变换电路“所谓交－直变换电路就是是整流和滤波。在低压电路里，哪种滤波方式效果最好？”老张又问。“应该是π形滤波。”小孙答。“可是，变频器里却不能用π形滤波。”变频器不用π形滤波“为什么呢？”小孙真还没有想到过这样的问题，不觉来了精神。图1－1交－直－交变频器框图“其实，你只要比较一下这两种整流滤波电路的区别就明白了。”张老师说着，随手就画出了两个整流滤波电路，如图1－2。然后说：“瞧，π形滤波在电路里要串联一个电感L或电阻R的。不管串联什么，它总要产生一个电压降ΔU，使后面的电压UD2比前面的电压UD1小一点。这在低压电路里是没有关系的，如果觉得UD2太小了，你可以在设计变压器时适当提高一点副方电压就可以了。”“啊，我知道了。”小孙如梦初醒：“变频器前面没有变压器，不可能提高电压。可是，稍为有一点电压降不行吗？”“不行！”张老师斩钉截铁地说。“因为变频器要求后面逆变出来的三相交流电，在50Hz时的电压能够和前面的电源电压一般大。要是直流电压减小了的话，逆变出来的三相交流电压，在50Hz时就达不到380V了。那人家就会说，你这个变频器不行，电压不够。所以，变频器里只能用电容器滤波。”“好象是用两组电容器串联起来的，为什么呢？”小孙来了兴趣，努力思索着要主动地问一些问题。“那是生产水平的问题。迄今为止，全世界生产的电解电容器的最高耐压，只有500V，而380V全波整流后的峰值电压是537V。按照国家规定，电源电压的允许上限误差是＋10%，即418V，全波整流后的峰值电压是591V。此外，变频器在运行过程中允许的最高直流电压可达（700～800）V，而在逆变的过渡过程中，瞬间的直流电压甚至可能高达1000V呢。所以，只能用两组电容器串联来解决。”张老师回答说。“还有，我曾打开变频器看过。每个电容器旁边，都并联一个电阻，好象叫均压电阻。可它们的电阻值很大，约为几十kΩ，而瓦数却不大，好象只有10W左右，它们能起到均压作用吗？”小孙显露出一副疑惑的神情。均压电阻的学问“那就让我们来看看吧。”张老师随手又画了一个图，如图1－3。接着说：“图中，电容器C1的充电回路由C1和RC2构成；C2的充电回路由C2和RC1构成。RC1和RC2的电阻值是相等的：RC1＝RC2如果两个电容器组的电容量有差异，假设：C1＜C2则两个电容器组上的电压分配必不相等：UC1＞UC2图1－2整流和滤波电路（a）低压整流滤波电路（b）变频器整流滤波电路图1－3滤波电容的均压电路而两个电容器的充电电流分别是：IR1＝11CCRU；IR2＝22CCRU很明显：IR1＞IR2这样，电容器C2上要多充一些电，UC2就得到了提高。结果是UC1和UC2趋向于均衡：UC1≈UC2当然，要绝对均衡是不可能的。至于瓦数么，你自己算一算看。”小孙立即拿起笔来，刚要下笔，却又难住了，问：“电压值按多大算呢？”“每个电容器上的平均电压可以按300V算。”“电阻么，好象是30kΩ，这就好算了。”只见小孙在纸上算了起来：P＝RU2＝300003002＝3W“哟，还绰绰有余呢。”小孙说，“我以前总喜欢估计一个大概数据，很少具体计算。看起来，以后还是要算一算的好。还有一个问题，那个冒烟的电阻是在整流桥和滤波电容之间的，这在低压整流电路里是没有的。它起什么作用呢？”限流电阻的作用“就整流和滤波的基本过程而言，低压和高压是相同的。”张老师又画了个整流滤波电路，如图1－4，接着说：“问题的关键，是合上电源前，电容器上是没有电荷的，电压为0V，而电容器两端的电压又是不能突变的。就是说，在合闸瞬间，整流桥两端（P、N之间）相当于短路。因此，在合上电源时，就出现了两个问题：第一个问题，是有很大的冲击电流，如图中的曲线①，这有可能损坏整流管。第二个问题，是进线处的电压将瞬间下降到0V，如图中之曲线②所示。这两个特点，高、低压整流电路完全一样。”张老师又画了起来，如图1－5。接着说：“瞧，低压整流电路是要通过变压器来降压的。变压器的绕组是一个大电感，它犹如一个屏障，能对合闸时的冲击电流起到限制作用，如图（a）中图1－4整流电路的合闸图1－5高、低压整流电路的区别（a）低压整流电路（b）高压整流电路（c）限流电路的曲线①。而变频器的整流电路中，就没有这样的屏障，冲击电流就要严重得多，如图（b）中之曲线①所示。至于进线侧的电压波形，其实，在低压整流电路中，变压器的副方电压，也同样要瞬间降到0V的，如图（a）中之曲线②。但反映到变压器的原方，这样的瞬间降压，就被缓冲了，如图（a）中之曲线③，对同一网络中的其他设备不构成干扰。变频器整流电路中没有这样的缓冲，它进线电压就是电网电压。所以，在合闸瞬间，电网电压要降到0V，这将影响同一网络中其他设备的正常工作，通常称之为干扰。所以，在整流桥和滤波电容之间，就需要接入一个限流电阻RL。至于它的原理，你该是明白的吧？”“我来试试看吧，”小孙鼓足了勇气，说：“接入了限流电阻后，非但减小了通电时的冲击电流。并且，瞬间的电压降，也都降到限流电阻上了，电源侧的电压波形也解决了，真是一举两得啊。等到电容器上的电压上升到一定程度时，再把限流电阻短路掉，对吧？可是……”张老师正想夸赞小孙几句，没想到他又来了个“可是”，于是他耐性地等着小孙的下文。“我曾经查看过几台变频器，发现短路器件（晶闸管或接触器）的大小是随变频器的容量而变的，但限流电阻的阻值和容量却差别不大，这是怎么回事呢？”“说得好，也问得好。”张老师高兴地夸赞了小孙几句。“我们通过具体例子来说明。”张老师一边说，一边画出了图1－6。然后说：“我们分开来说吧。先看限流电阻RL。严格地说，容量大的变频器里，整流管的允许电流也较大。滤波电容的容量也要大一些，限流电阻的阻值应该小一些，而容量（瓦数）应该大一些。但是，让我们举一个例子来看一下。假设所选用限流电阻的阻值RL＝50Ω，那么，即使电源电压等于振幅值ULM＝1.41×380＝537V，最大的冲击电流是多大呢？”“只有10A多一点。”小孙说。“还有，假设滤波电容的电容量是5000μF，充电时间有多长呢？”小孙很快算了起来：T＝RLC＝50×5000＝250000μs＝250ms＝0.25s“只有0.25s。”小孙抬起头来，说。“那是充电时间常数，充电时间应该是它的3倍到5倍。”张老师更正说。“就是说，充电时间大约是0.75s到1.25s之间，笼统一点说，是1s左右吧。这样的充电电流，和这样的充电时间，对于大多数规格的变频器来说，都是可以接受的吧？所以，生产厂家为了减少另部件的种类，采取了多种规格的变频器选用同一规格限流电阻的做法。至于电阻的容量（瓦数），因为RL中通电流的时间很短，只有1s，真正达到10A的时间更短。所以，一般说来，容量只要不小于20W就可以了。再看旁路接触器KM。还是用具体例子来说明吧。假设电动机容量是7.5kW，15.4A。配用变频器的容量是13kVA，18A。一般说来，直流回路的容量和变频器的输入容量应该是相等的，当电源电压是380V时，直流电压的平均值是513V，那么，直流电流应该有多大呢？”张老师看着小孙，问。图1－6限流电路里的电流小孙会意，马上在纸上算了起来：ID＝DDUP＝51313000＝25A“那就只有选标称值为30A的接触器了。”小孙不假思索说。“要动动脑筋么。你想，这里用接触器的几个触点呀？”“啊，”小孙拍着自己的脑袋说，“接触器的三个触点是可以并联起来用的，那就只要10A的接触器就可以了。”张老师微笑着点了点头，又补充说：“不过，要是用晶闸管的话，还是要用30A的。”张老师略顿了顿，接着又问：“那么，要是电动机容量是75kW，139.7A。配用变频器的容量是114kVA，150A。该配用多大的接触器呢？”这回小孙心里有底了，他很快地算了起来：ID＝DDUP＝513114000＝222A“应该选额定电流为80A的接触器。”小孙肯定地说。“所以，你刚才提的问题不就解决了吗。”张老师笑嘻嘻地说。“可是，限流电阻为什么会冒烟，并且烧断呢？”小孙问。“就我所接触到的情况而言，烧断限流电阻的原因可能有三种。”张老师说。“第一种可能，是限流电阻的容量选小了。因为在限流电阻中通入的电流是按指数规律衰减的，且持续时间很短，如图1－7所示。所以，其容量可以选得小一些。为了降低元器件成本，有的变频器生产厂家在决定限流电阻的容量时，常常取较小值。但实际上，流经限流电阻的电流IR是和限流电阻的阻值RL以及滤波电容器的电容量CF有关的。比较图（a）和图（b）知，RL大：则电流的初始值较小，但电流的持续时间长。比较图（b）和图（c）知：CF大，电流的持续时间将延长。所以，严格地说，RL的容量大小也应该根据具体情况适当调整。但如前所说，用户对滤波电容器的充电过程并无严格的要求。所以，对RL的阻值和容量也并无明确的规定。一般说来，如选RL≥50Ω，PR≥50W是不会有问题的。第二种可能，是滤波电容器变质了。凡是有电解质的器件，都有一个特点：你一直用它，它不容易坏。你总也不用它，它倒要坏了。你那台变频器在仓库里存放了一年多才拿出来，你应该先打开盖观察一下滤波电容器，看它是否‘鼓包’？甚至是否有电解液漏出？电解电容器变质的特征，首先是漏电流增大。一台长时间不用的变频器，突然加上高电压，电解电容器的漏电流可能是相当大的。你第一次合上电源时，变频器内冒烟，很可能就是电解电容器严重漏电，甚至已经短路。而直流电压难以充电到450V以上，短路器件不动作，限流电阻长时间接在电路里，它当然要冒烟、烧断了。”图1－8长期存放电容器的复原图1－7限流电阻的充电电流（a）RL＝80Ω、CF＝1000μF（b）RL＝40Ω、CF＝1000μF（c）RL＝40Ω、CF＝2000μF“那……，变频器在仓库里时间放长了，就报废了？”小孙感到疑惑。“当然不是。长时间不用的电解电容器，通电时，应该先加约50%的额定电压，加压时间应在半小时以上，如图1－8所示。它的漏电流就会降下去，也就可以正常使用了。所以，你回去以后，先用万用表测量一下电容器是否短路。如并未短路，外观上也没有异常，则如图那样，通电半小时以后，电容器将可以恢复。”“太好了！”小孙高兴地说。接着又问：“您说，电阻冒烟还有另一种可能性？”小孙接着问。“第三种可能，