變頻器內(nèi)部主電路詳解

變頻器不同系列交-直-交內(nèi)部的主電路基本相同，在應(yīng)用變頻調(diào)速時(shí)，產(chǎn)生的許多現(xiàn)象都可以通過主體電路來進(jìn)行分析。所以，熟悉變頻器主電路的結(jié)構(gòu)及工作原理顯得十分必要。

一、 交直變換

交-直變換電路就是整流和濾波電路，其任務(wù)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)上具有特殊性。

1、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，如圖中的VD1～VD6所示。

當(dāng)三相線電壓為380V時(shí)，整流后的峰值電壓為537V，平均電壓為515V。

2、濾波及限流電路

（1）濾波電路，即圖中的CF1和CF2。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(gè)電容器并聯(lián)成一組，又由兩個(gè)電容器組CF1和CF2串聯(lián)而成。因?yàn)殡娊怆娙萜鞯碾娙萘坑休^大的離散性，故電容器組CF1和CF2的電容量常不能完全相等。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旁備并聯(lián)一個(gè)阻值相等的均壓電阻RC1和RC2。

（2）限流電路，即圖中，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(guān)SL組成的并聯(lián)電路。

限流電阻RL的作用是：變頻器在接入電源之前，濾波電容CF上的直流電壓UD=0。因此，當(dāng)變頻器剛接入電源的瞬間，將有一個(gè)很大的沖擊電流經(jīng)整流橋流向?yàn)V波電容，使整流橋可能因此而愛到損壞。如果電容器的容量很大，還會(huì)使電源電壓瞬間下降而形成對電網(wǎng)的干擾。限流電阻RL就是為了削弱該沖擊電流而串接在整流橋和濾波電容之間的。

短路開關(guān)SL的作用是：限流電阻RL如常期接在電路內(nèi)，會(huì)影響直流電壓UD和變頻器輸出電壓的大小。所以，當(dāng)UD增大到一定程度時(shí)，令短路開關(guān)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，也常由接解器或繼電器的觸點(diǎn)構(gòu)成。

3、電源指示

電源指示燈HL除了表示電源是否接通外，還有一個(gè)十分重要的功能，即在變頻繁器切斷電源后，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(jìn)行，所以CF沒有快速放電的回路，其放電時(shí)間往往長達(dá)數(shù)分鐘。又由于CF上的電壓較高，如不放完，對人身安全將構(gòu)成威脅。故在維修變頻器時(shí)，必須等HL完全熄滅后才能接觸變頻器內(nèi)部的導(dǎo)電部分，所以，HL也具有提示保護(hù)的作用。

二、 直交變換

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，其工作原理在緒論中已經(jīng)說明。

逆變橋電路由圖中的開關(guān)器件V1～VD6構(gòu)成。目前中小容量的變頻器中，開關(guān)器件大部分使用IGBT管。

2、續(xù)流電路

由圖中的VD7～VD12構(gòu)成。其功能是：

（1） 為電動(dòng)機(jī)繞組的無功電流返回直流電路時(shí)提供通路。

（2） 當(dāng)頻率下降從而同步轉(zhuǎn)速下降時(shí)，為電動(dòng)機(jī)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（R01～R06、C01～C06、VD01～VD06）

逆變管在關(guān)斷和導(dǎo)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(gè)逆變管旁還應(yīng)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，圖2-27所示是比較典型的一種。各元件的功能如下：

（1） 電容C01～C06。逆變管V1～V6每次由導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換成截止?fàn)顟B(tài)的過程中，集電極（C極）和發(fā)射極（E極）之間的電壓UCE將極為迅速地由近乎0V上升至直流電壓值UD。在此過程中，電壓增長率是很高的，將容易導(dǎo)致逆變管損壞。C01～C06的功能便是減小V1～V6在關(guān)斷時(shí)的電壓增長率。

（2） 電阻R01～R06。V1～V6每次由截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換為導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，C01～C06上所充的電壓（等于UD）將向V1～V6放電。放電電流的初始值是很大的，并且將迭加到負(fù)載電流上，導(dǎo)致V1～V6損壞。電阻R01～R06就是用來限制C01～C06對V1～V6的關(guān)斷過程中，使R01～R06不起作用。

三、 能耗制動(dòng)電路

1、耗制動(dòng)電路的作用

在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的降速和停機(jī)，是通過逐漸減小頻率來實(shí)現(xiàn)的。在頻率剛減小的瞬間，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速隨之下降，而由于機(jī)械慣性的原因，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速未變。當(dāng)同步轉(zhuǎn)速低于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速時(shí)，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π（180°），使電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，也稱為再生制動(dòng)狀態(tài)。

電動(dòng)機(jī)再生的電能經(jīng)圖中的續(xù)流二極管（VD7～VD12）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，稱為“泵升電壓”。過高的直流電壓將使變流器件受到損害。因此，當(dāng)直流電壓超過一定值時(shí)，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(dòng)電路。

2、能耗電路的構(gòu)成

能耗電路由制動(dòng)電阻RB和制動(dòng)單元BV構(gòu)成，如圖所示。

制動(dòng)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(dòng)單元BV的功能是控制放電回路的工作。具體地說，當(dāng)真流回路的電壓UD超過規(guī)定的限值時(shí)，VB導(dǎo)通，使直流回路通過RB釋放能量，降低直流電壓。而當(dāng)UD在正常范圍內(nèi)時(shí)，VB將可靠截止，以避免不必要的能量損失。

四、 主電路

將上述各部分電路匯總后成為主電路，如圖1所示。

（圖1）變頻器主電路圖

變頻器內(nèi)部主電路詳解

1、內(nèi)部主電路結(jié)構(gòu)

采用“交-直-交”結(jié)構(gòu)的低壓變頻器，其內(nèi)部主電路由整流和逆變兩大部分組成，如圖1所示。從R、S、T端輸入的三相交流電，經(jīng)三相整流橋（由二極管D1～D6構(gòu)成）整流成直流電，電壓為UD。電容器C1和C2是濾波電容器。6個(gè)IGBT管（絕緣柵雙極性晶體管）V1～V6構(gòu)成三相逆變橋，把直流電逆變成頻率和電壓任意可調(diào)的三相交流電。

圖1 變頻器內(nèi)部主電路

2、 均壓電阻和限流電阻

圖1中，濾波電容器C1和C2兩端各并聯(lián)了一個(gè)電阻，是為了使兩只電容器上的電壓基本相等，防止電容器在工作中損壞（目前，由于技術(shù)的進(jìn)步，低壓（380V）變頻器的電解電容大多數(shù)可以不需要串聯(lián)使用了）。

在整流橋和濾波電容器之間接有一個(gè)電阻R和一對接觸器觸點(diǎn)KM，其緣由是：變頻器剛接通電源時(shí)，濾波電容器上的電壓為0V，而電源電壓為380V時(shí)的整流電壓峰值是537V，這樣在接通電源的瞬間將有很大的充電沖擊電流，有可能損壞整流二極管；另外，端電壓為0的濾波電容器會(huì)使整流電壓瞬間降低至0V，形成對電源網(wǎng)絡(luò)的干擾。

為了解決上述問題，在整流橋和濾波電容器之間接入一個(gè)限流電阻R，可將濾波電容器的充電電流限制在一個(gè)允許范圍內(nèi)。但是，如果限流電阻R始終接在電路內(nèi)，其電壓降將影響變頻器的輸出電壓，也會(huì)降低變頻器的電能轉(zhuǎn)換效率，因此，濾波電容器充電完畢后，由接觸器KM將限流電阻R短接，使之退出運(yùn)行。

3、主電路的對外連接端子

各種變頻器主電路的對外連接端子大致相同，如圖2所示。其中，R、S、T是變頻器的電源端子，接至交流三相電源；U、V、W為變頻器的輸出端子，接至電動(dòng)機(jī)；P+是整流橋輸出的+端，出廠時(shí)P+端與P端之間用一塊截面積足夠大的銅片短接，當(dāng)需要接入直流電抗器DL時(shí)，拆去銅片，將DL接在P+和P之間；P、N是濾波后直流電路的+、-端子，可以連接制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻；PE是接地端子。

圖2 主電路對外連接端子

4、變頻系統(tǒng)的共用直流母線

電動(dòng)機(jī)在制動(dòng)（發(fā)電）狀態(tài)時(shí)，變頻器從電動(dòng)機(jī)吸收的能量都會(huì)保存在變頻器直流環(huán)節(jié)的電解電容中，并導(dǎo)致變頻器中的直流母線電壓升高。如果變頻器配備制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻（這兩種元件屬于選配件），變頻器就可以通過短時(shí)間接通電阻，使再生電能以熱方式消耗掉，稱做能耗制動(dòng)。

當(dāng)然，采取再生能量回饋方案也可解決變頻調(diào)速系統(tǒng)的再生能量問題，并可達(dá)到節(jié)約能源的目的。而標(biāo)準(zhǔn)通用PWM變頻器沒有設(shè)計(jì)使再生能量反饋到三相電源的功能。

如果將多臺(tái)變頻器的直流環(huán)節(jié)通過共用直流母線互連，則一臺(tái)或多臺(tái)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的再生能量就可以被其他電動(dòng)機(jī)以電動(dòng)的方式消耗吸收?；蛘撸谥绷髂妇€上設(shè)置一組一定容量的制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻，用以吸收不能被電動(dòng)狀態(tài)電動(dòng)機(jī)吸收的再生能量。

若共用直流母線與能量回饋單元組合，就可以將直流母線上的多余能量直接反饋到電網(wǎng)中來，從而提高系統(tǒng)的節(jié)能效果。綜上所述，在具有多臺(tái)電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)中，選用共用直流母線方案，配置一組制動(dòng)單元、制動(dòng)電阻和能量回饋單元，是一種提高系統(tǒng)性能并節(jié)約投資的較好方案。

圖3所示為應(yīng)用比較廣泛的共用直流母線方案，該方案包括以下幾個(gè)部分。

1.三相交流電源進(jìn)線

各變頻器的電源輸入端并聯(lián)于同一交流母線上，并保證各變頻器的輸入端電源相位一致。圖3中，斷路器QF是每臺(tái)變頻器的進(jìn)線保護(hù)裝置。LR是進(jìn)線電抗器，當(dāng)多臺(tái)變頻器在同一環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，相鄰變頻器會(huì)互相干擾，為了消除或減輕這種干擾，同時(shí)為了提高變頻器輸入側(cè)的功率因數(shù)，接入LR是必須的。

2.直流母線

KM是變頻器的直流環(huán)節(jié)與公用直流母線連接的控制開關(guān)。FU是半導(dǎo)體快速熔斷器，其額定電壓可選700V，額定電流必須考慮驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)或制動(dòng)時(shí)的最大電流，一般情況下，可以選擇額定負(fù)載電流的125%。

3.公共制動(dòng)單元和（或）能量回饋裝置

回饋到公共直流母線上的再生能量，在不能完全被吸收的情況下，可通過共用的制動(dòng)電阻消耗未被吸收的再生能量。若采用能量回饋裝置，則這部分再生能量將被回饋到電網(wǎng)中，從而提高節(jié)能的效率。

4.控制單元

各變頻器根據(jù)控制單元的指令，通過KM將其直流環(huán)節(jié)并聯(lián)到共用直流母線上，或是在變頻器故障后快速地與共用直流母線斷開。