變頻器主體電路的結(jié)構(gòu)

一、變頻器的技術規(guī)范

1、一般通用變頻器的技術數(shù)據(jù)分為型號、額定輸入輸出參數(shù)、控制方式等，其中包括控制精度、控制參數(shù)、顯示模式參數(shù)、保護特性參數(shù)及環(huán)境參數(shù)等五大類。

2、通用變頻器的額定數(shù)據(jù)主要有輸入側(cè)數(shù)據(jù)和輸出側(cè)數(shù)據(jù)，輸出側(cè)數(shù)據(jù)包括額定輸出電流、額定輸出容量、配用電動機容量和輸出頻率范圍。變頻器的最高輸出頻率因型號不同會相差很大。變頻器的額定輸出電流是指變頻器連續(xù)運行時輸出的最大交流電流的有效值，通用變頻器與標準異步電動機相比較，其電流瞬時過載能力較小。

3、如果變頻器外接電位器損壞，重新選擇時遵循的原則是電位器的阻值只可增大而不可減小，電位器的功率宜大不宜小。

4、通用變頻器的給定頻率設定方法一般有面板設定、預置給定、外界給定和通信給定。

二、變頻器主體電路的結(jié)構(gòu)

不同系列交-直-交變頻器內(nèi)部的主體電路基本相同，變頻調(diào)速過程中出現(xiàn)的許多現(xiàn)象都可通過主體電路來進行分析。

1、交-直變換電路

交-直-交變頻器的交-直變換電路部分由整流電路、濾波電路、限流電路和電源指示電路組成。

交-直變換電路就是整流和濾波電路，其任務是把電源的三相(或單相)交流電變換成平穩(wěn)的直流電。由于整流后的直流電壓較高，且不允許再降低，因此在電路結(jié)構(gòu)上具有其特殊性。

1）全波整流電路

在SPWM變頻器中大多采用橋式全波整流電路，在中、小容量的變頻器中整流器件采用不可控的整流二極管或二極管模塊，如下圖所示變頻器交-直變換電路中的VD1~ VD6。當三相線電壓為380V時，整流后的峰值電壓為537V，平均電壓為515V。

2）濾波電路

在上圖中，濾波電路是指CF1和C F2 。由于受到電解電容的電容量和耐壓能力的限制，濾波電路通常由若干個電容器并聯(lián)成一組，又由兩個電容器組CF1和CF2串聯(lián)而成。因為電解電容器的電容量有較大的離散性，故電容器組CF1和CF2的電容量不能完全相等。其結(jié)果是各電容器組承受的電壓UD1和UD2不相等，使承受電壓較高一側(cè)的電容器組容易損壞。為了使UD1和UD2相等，在CF1和CF2旁各并聯(lián)一個阻值相等的均壓電阻RC1和R C2 。

3）限流電路

（1）在上圖中，限流電路是指串接在整流橋和濾波電容器之間，由限流電阻RL和短路開關SL組成的并聯(lián)電路。

（2）限流電阻RL的作用是：變頻器在接入電源之前，濾波電容器C F (由CF1和CF2串聯(lián)而成)上的直流電壓U D =0。因此,變頻器剛接入電源的瞬間,將有一個很大的沖擊電流經(jīng)整流流向濾波電容，可能損壞整流橋。如果電容器的容量很大，還會使電源電壓瞬間下降而形成對電網(wǎng)的干擾。限流電阻RL是為了削弱該沖擊電流而串接在整流橋和濾波電容間的。

（3）短路開關SL的作用是：如果限流電阻RL長期接在電路內(nèi)，會影響直流電壓UD和變頻器輸出電壓的大小。所以，當UD增大到一定程度時，令短路開關SL接通，把RL切出電路。SL大多由晶閘管構(gòu)成，在容量較小的變頻器中常由繼電器的觸點構(gòu)成。

4）電源指示電路

電源指示燈HL除了表示電源是否接通外，還有一個十分重要的功能，即在變頻器切斷電源后，表示濾波電容器CF上的電荷是否已經(jīng)釋放完畢。

由于CF的容量較大，而切斷電源又必須在逆變電路停止工作的狀態(tài)下進行，所以CF沒有快速放電的回路，其放電時間往往長達數(shù)分鐘。又由于CF上的電壓較高，如果不放完電，對人身安全將構(gòu)成威脅，故在維修變頻器時，必須等HL完全熄滅后才能接觸變頻器內(nèi)部的導電部分。所以，HL也具有提示保護的作用。

2、直-交變換電路

1）三相逆變橋電路

逆變橋電路的功能是把直流電轉(zhuǎn)換成三相交流電。逆變橋電路由下圖中的開關器件 V1~V6 構(gòu)成。目前中、小容量的變頻器中，開關器件大部分使用IGBT 管。

2）續(xù)流電路

續(xù)流電路由上圖中的VD7~VD12構(gòu)成。其功能如下：

（1）為電動機繞組的無功電流返回直流電路提供通路。

（2)當頻率下降從而同步轉(zhuǎn)速下降時，為電動機的再生電能反饋至直流電路提供通路。

（3）為電路的寄生電感在逆變過程中釋放能量提供通路。

3）緩沖電路

逆變管在關斷和導通的瞬間，其電壓和電流的變化率是很大的，有可能使逆變管受到損害。因此，每個逆變管旁還應接入緩沖電路，以減緩電壓和電流的變化率。緩沖電路的結(jié)構(gòu)因逆變管的特性和容量等的不同而有較大差異，下圖所示的是比較典型的一種緩沖電路(由R01~~R06~、C01~~C06~、VD01~~VD06~構(gòu)成)。

各元件功能如下:

（1）電容C01~~C06~

逆變管 V1V6每次由導通狀態(tài)轉(zhuǎn)換成截止狀態(tài)的過程中，集電極和發(fā)射極之間的電壓UCE將極為迅速地由近乎0V上升至UD~。在此過程中，電壓增長率是很高的，很容易導致逆變管損壞。C01~~C06的功能便是減小V1V6在關斷時的電壓增長率。

（2）電阻R01~~R06~

V1V6每次由截止狀態(tài)轉(zhuǎn)換為導通狀態(tài)時，C01C06上所充的電壓(等于U D )將向V1V6 放電。放電電流的初始值是很大的，并且將迭加到負載電流上，導致V1V6 損壞。電阻R01R06就是用來限制C01~~C06對V1~V6的放電電流的。

（3）二極管VD01~VD06

限流電阻R01~~R06的接入，又會影響C01C06在V1V6關斷時限制電壓增長率的效果，VD01VD06接入后，在V1V6的關斷過程中，使R01R06不起作用。

3、能耗制動電路

1）能耗制動電路的作用

在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電動機的降速和停機是通過逐漸減小頻率來實現(xiàn)的。在頻率剛減小的瞬間，電動機的同步轉(zhuǎn)速隨之下降，而由于機械慣性的原因，電動機的轉(zhuǎn)速未變。當同步轉(zhuǎn)速低于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線的方向相反了，轉(zhuǎn)子電流的相位幾乎改變了180°,使電動機處于發(fā)電狀態(tài)，也稱為再生制動狀態(tài)。

電動機再生的電能經(jīng)續(xù)流二極管(上圖中的VD7VD12)全波整流后反饋到直流電路中。由于直流電路的電能無法回輸給電網(wǎng)，只能由CF1和CF2~吸收，使直流電壓升高為“泵升電壓”。過高的直流電壓將使變流器件受到損害。因此，當直流電壓超過一定值時，就要求提供一條放電回路，將再生的電能消耗掉，這一條放電回路就是能耗制動電路。

2）能耗制動電路的構(gòu)成

能耗制動電路由制動電阻RB和制動單元BV構(gòu)成，如下圖所示。

制動電阻RB用于消耗掉直流電路中的多余電能，使直流電壓保持平穩(wěn)。制動單元BV的功能是控制放電回路的工作，具體地說，當直流回路的電壓UD超過規(guī)定的限值時，VB導通，使直流回路通過RB釋放能量，降低直流電壓；而當UD在正常范圍內(nèi)時，VB將可靠截止，以避免不必要的能量損失。

4、主體電路

將上述各部分電路匯總后成為主體電路，如下圖所示。

1）交-交變頻器又稱為直接變頻器。交-交變頻器輸出電壓是依靠調(diào)節(jié)反并聯(lián)整流橋晶閘管的觸發(fā)相位來實現(xiàn)的，輸出頻率則取決于輸出端A、B、C各組間的換流頻率。根據(jù)輸出電壓波形的不同，交-交變頻器可分為120°導通型方波電流源變頻器、180°導通型正弦波電壓源變頻器。

2）矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)可以使異步電動機的調(diào)速具有和直流電動機相媲美的高精度和快速響應能力。矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)能適應惡劣的工作環(huán)境，可應用于要求高速響應的工作機械、高精度的電力拖動裝置。

三、變頻器的內(nèi)部控制框圖

變頻器主控電路以微機電路為主體，要求提供穩(wěn)定性非常高的0~+5V電源。

1、主控電路的基本任務

1）接收各種信號

（1）在功能預置階段，接收對各種功能的預置信號；

（2）接收從鍵盤或外部輸入端子輸入的給定信號；

（3）接收從外部轉(zhuǎn)輸入端子輸入的控制信號；

（4） 接收從電壓、電流采樣電路以及其他傳感器輸入的狀態(tài)信號。

2）進行基本運算

（1）進行矢量控制運算或其他必要的運算；

（2）實時地計算出正弦脈寬(SPWM)波形各切換點的時刻。

3）輸出計算結(jié)果

（1）輸出至逆變管模塊的驅(qū)動電路，使逆變管按給定信號及預置要求輸出正弦脈寬(SPWM)電壓波形；

（2） 輸出給顯示器,顯示當前狀態(tài)；

（3）輸出給外接輸出控制端子。

2、主控電路的其他任務

1）接受從鍵盤和外接輸入端子輸入的各種控制信號，對SPWM信號進行啟動、停止、升速、降速、點動等控制。

2）實施各項保護功能：接收從電壓、電流采樣電路以及其他傳感器(如溫度傳感器)的信號，結(jié)合功能中預置的限值，進行比較和判斷，如果認為已經(jīng)出現(xiàn)故障，則停止發(fā)出SPWM信號，使變頻器終止輸出，向輸出控制端輸出報警信號，向顯示器輸出故障原因信號。

3、外接輸入控制端

外接輸入控制端接收外部輸入的各種控制信號(如正轉(zhuǎn)FWD、反轉(zhuǎn)REV、點動JOG等屬于基本控制信號)，以便對變頻器的工作狀態(tài)和輸出頻率進行控制。

各種變頻器都配有接收從外部輸入給定信號的端子，根據(jù)給定信號類別的不同，通常有電壓信號給定端和電流信號給定端。變頻器外接輸入控制端接收的都是開關信號，變頻器內(nèi)部則由光電耦合管來接收信號。

四、變頻器操作面板的使用

1、使用變頻器之前，首先要熟悉它的面板顯示和鍵盤操作單元，并且按照使用現(xiàn)場操作面板的要求合理設置參數(shù)。變頻器的鍵盤一般都配有模式轉(zhuǎn)換鍵、數(shù)據(jù)增減鍵、讀出/寫入鍵和運行操作鍵。

2、變頻器鍵盤面板的各種功能以菜單方式顯示和選擇，可按照菜單選擇必要的功能，按FUNC/DATA鍵，即能顯示所選功能的畫面。變頻器的數(shù)據(jù)顯示屏在功能預置時顯示功能碼、數(shù)據(jù)碼。變頻器的LCD顯示屏一次可以顯示若干個數(shù)據(jù)。

3、正常運行時，鍵盤面板操作體系的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。

4、報警發(fā)生時，保護功能動作，鍵盤面板將由正常運行時的操作體系自動轉(zhuǎn)換為報警時的操作體系。報警發(fā)生時出現(xiàn)的報警模式畫面顯示各種報警信息，如下圖所示。

程序菜單、各種功能畫面和補充畫面仍和正常運行時的情況一樣。但是，由程序菜單轉(zhuǎn)換為報警模式只能通過PRG鍵來實現(xiàn)。此外，若5min不操作仍會自動轉(zhuǎn)入報警模式。

5、變頻器的報警原因菜單能確認最新的報警和同時發(fā)生的報警以及報警歷史，選擇報警的FUNC/DATA按鍵，可顯示其報警原因及有關故障診斷內(nèi)容。

五、變頻器的功能預置

各種變頻器都具有許多功能可供用戶選擇，用戶在使用前必須根據(jù)生產(chǎn)機械的特點和要求預先對各種功能進行設定，這種預先設定的工作稱為功能預置。準確地預置變頻器的各項功能，可使變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作過程盡可能地與生產(chǎn)機械的特性和要求相吻合，使變頻調(diào)速系統(tǒng)運行在最佳狀態(tài)。

1、變頻器常用功能

不同的變頻器對功能碼的編制方式不一樣,但大致有兩種類型：大模式型和功能碼分區(qū)型。功能碼分區(qū)型是將所有的功能分成若干個功能區(qū)，從一個功能區(qū)到另一個功能區(qū)必須經(jīng)過模式轉(zhuǎn)換。

1）輸入通道的選擇功能

主要有給定通道的選擇和控制通道的選擇。

2）頻率的控制功能

主要有頻率范圍的設定功能、頻率給定功能、其他功能(如回避頻率、載波頻率)。

3）加速與減速功能

主要有加、減速時間的設定功能，加、減速方式的設定功能，啟動功能，停機功能(如停機方式的選擇、直流制動)等。

4）特性調(diào)整功能

包括控制方式的選擇功能、U/f模式下的補償功能、矢量控制的相關功能。

5）外接控制端子的設定功能

包括輸入控制端子的設定功能、輸出控制端子的設定功能。

6）系統(tǒng)控制功能

包括程序控制功能、PID控制功能。

7）保護功能

包括變頻器對各種故障的保護功能、防止跳閘功能。

2、變頻器的功能預置

變頻器功能預置一般都是通過編程方式來進行的，因此功能預置都必須在“編程模式”下進行。盡管各種變頻器的功能預置各不相同，但基本方法和步驟是十分類似的。變頻器功能參數(shù)的預置過程為：查找功能碼，在“編程模式”下讀出該功能碼中原有的數(shù)據(jù)，修改數(shù)據(jù)，寫入新數(shù)據(jù)?，F(xiàn)以三菱FR-A540系列變頻器的加速時間(功能碼為P.7)從出廠設定的5s增加到20s為例，介紹功能預置的過程。

1）第一步

由于變頻器開機后都處于“運行模式”下，顯示屏顯示給定頻率(如50Hz)，所以先按 MODE 模式轉(zhuǎn)換鍵，切換為“編程模式”，顯示屏顯示“Pr”。

2）第二步

按增加或減少鍵，找出需要預置的功能碼P.7。

3）第三步

按SET數(shù)據(jù)確認鍵，“讀出”該功能碼中原有的數(shù)據(jù)，顯示屏顯示“5.0”，說明原有數(shù)據(jù)是5s。

4）第四步

按增加或減少鍵，將數(shù)據(jù)碼修改為“20.0”。

5）第五步

按SET數(shù)據(jù)確認鍵1.5s，“寫入”新數(shù)據(jù)。這時，新數(shù)據(jù)“20.0”與“Pr…”交替顯示，詢問預置工作是否結(jié)束。如果預置尚未結(jié)束，則轉(zhuǎn)為第二步，再選下一個需要預置的功能碼；如果需要預置的功能都已預置完畢，則進入下一步。

6）第六步

按MODE模式轉(zhuǎn)換鍵，切換為“運行模式”。

七、變頻器頻率的給定功能

1、變頻器的給定方式

1）要調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，首先必須向變頻器提供改變頻率的信號，這個信號稱為給定信號。所謂給定方式，就是調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率的具體方法，也就是提供給定信號的方式。

2）給定方式有模擬量給定方式和數(shù)字量給定方式。當變頻器給定信號為模擬量時,稱為模擬量給定方式，其給定信號有電壓信號、電流信號、零信號。變頻器數(shù)字量給定方式有面板給定，外接升、降速端子給定，外接脈沖給定。

3）變頻器的給定頻率設定方法有面板給定、預置給定、外界給定和通信給定。

4）變頻器的給定量為電位器給定時，端子“10V”為變頻器提供的直流10V電源；端子“GND”是輸人信號的公共端；端子“VR1”為電壓信號輸入端。

2、變頻器輸入端子的給定功能

1）假設變頻器輸入端子X1、X2、X3被預置為多擋速的信號輸入端，則通過繼電器KA1、 KA2、KA3不同組合可輸入七擋轉(zhuǎn)速信號。在使用變頻器多段速功能時，必須先通過預置，確定哪幾個輸入端子為多擋轉(zhuǎn)速輸入端子，然后預置與各擋轉(zhuǎn)速對應的工作頻率。

2）在變頻器的外控端子中有兩個升、降速控制端，即由外部的開關信號通過這兩個控制端子來進行升速和降速的控制。

八、變頻器的升速啟動功能

1、變頻器的升速功能

變頻器的升速功能有預置升速時間、預置升速方式、預置暫停升速功能和預置升速過流的自處理功能等。

1）預置升速時間

變頻器升速時間對啟動過程影響較大，設置升速時間時可先將升速時間預置得長一些，觀察拖動系統(tǒng)在啟動過程中電流的大小，如果啟動電流較小，可逐漸縮短升速時間，直至啟動電流接近最大允許值為止。有些負載對啟動和制動時間并無要求，如風機和水泵，其升、降速時間可適當?shù)仡A置得長一些。變頻器預置升速時間的基本原則是在不出現(xiàn)過電流的前提下，升速時間越短越好。

2）預置升速方式

根據(jù)不同機械對啟動過程的不同要求，變頻器除了可以控制升、降速時間外，還可以通過對升速方式的預置，對不同時段的加速度進行控制。常見的升速方式有線性方式和非線性方式(包括“S”形方式和半“S”形方式)。

（1）線性方式

在升速過程中，頻率與時間呈線性關系，即為線性方式。多數(shù)負載可預置為線性方式。

（2）非線性方式

①“S”形方式

在開始階段和結(jié)束階段，升速的過程比較緩慢；而在中間階段，則按線性方式升速。在電梯中，如果加速度變化過快，會使乘客感到不舒服，故宜采用“S”形方式。

②半“S”形方式

升速過程呈半“S”形，風機類負載在低速時負載轉(zhuǎn)矩很小，升速過程可以快一些，但隨著轉(zhuǎn)速的增加，負載轉(zhuǎn)矩增大較多，升速過程應減緩一些，采用半“S”形升速方式是比較適宜的。

非線性升速方式的預置方法主要有兩種：用戶在一定范圍內(nèi)(如0~5s)預置非線性區(qū)的時間長短；用戶只需預置采用“S”形或半“S”形方式即可，其非線性區(qū)的時間由變頻器內(nèi)定。

3）預置暫停升速功能

有些負載在啟動的初始階段，拖動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速上升過程常常跟不上頻率的變化，會致因過電流而跳閘，所以變頻器可預置暫停升速功能。

另外,生產(chǎn)中有些負載需要在啟動頻率下運行較短的一段時間再開始升速，為此，變頻器還可以預置啟動頻率維持時間

2、變頻器升、降速端子代替電位器的方法及優(yōu)點

1）變頻器升、降速端子代替電位器的方法：通過功能預置，確定輸入端子，使端子X1為速端子，X2為降速端子。按下SB1使X1接通頻率上升，松開SB1使X1斷開頻率保持不變；按下SB2使X2接通頻率下降，松開SB2使X2斷開頻率保持不變。

2）與電位器給定相比，升、降速端子給定具有如下優(yōu)點：電位器容易磨損，而按鈕開關不易損壞，所以其壽命長；電位器給定屬于模擬量給定，而升、降速端子給定屬于數(shù)字量給定，故其精度高；因為升、降速端子給定的控制信號是開關量，所以其抗干擾能力比模擬量給定強得多。

3、實現(xiàn)多段速控制的方法

1）在變頻器的外接輸入控制端子中，通過功能預置，可以將若干個(通常為24個)輸入端作為多擋(316擋)轉(zhuǎn)速控制端。

2）轉(zhuǎn)速的切換由外接的開關器件通過改變輸入端子的狀態(tài)及其組合來實現(xiàn)，轉(zhuǎn)速的擋次是按二進制的順序排列的，故2個輸入端可以組合成3擋或4擋(0狀態(tài)不計時為3擋，0狀態(tài)計入時為4擋)轉(zhuǎn)速，3個輸入端可以組合成7擋或8擋(0狀態(tài)不計時為7擋，0狀態(tài)計入時為8擋)轉(zhuǎn)速，4個輸入端可以組合成15擋或16擋(0狀態(tài)不計時為15擋，0狀態(tài)計入時為16擋)轉(zhuǎn)速。