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，在應用變頻調(diào)速時，產(chǎn)生的許多現(xiàn)象都可以通過主體電路來進行分析。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。

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)整流橋流向濾波電容，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(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，如不放完，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。

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） 為電動機繞組的無功電流返回直流電路時提供通路。

（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（R01～R06、C01～C06、VD01～VD06）

逆變管在關(guān)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，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每次由導通狀態(tài)轉(zhuǎn)換成截止狀態(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，將容易導致逆變管損壞。C01～C06的功能便是減小V1～V6在關(guān)斷時的電壓增長率。

（2） 電阻R01～R06。V1～V6每次由截止狀態(tài)轉(zhuǎn)換為導通狀態(tài)時，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，并且將迭加到負載電流上，導致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。

1、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π（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)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、能耗電路的構(gòu)成

能耗電路由制動電阻RB和制動單元BV構(gòu)成，如圖所示。

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，當真流回路的電壓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。

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

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電阻R和一對接觸器觸點KM，其緣由是：變頻器剛接通電源時，濾波電容器上的電壓為0V，而電源電壓為380V時的整流電壓峰值是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的濾波電容器會使整流電壓瞬間降低至0V，形成對電源網(wǎng)絡的干擾。

為了解決上述問題，在整流橋和濾波電容器之間接入一個限流電阻R，可將濾波電容器的充電電流限制在一個允許范圍內(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，接至電動機；P+是整流橋輸出的+端，出廠時P+端與P端之間用一塊截面積足夠大的銅片短接，當需要接入直流電抗器DL時，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，可以連接制動單元和制動電阻；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

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

當然，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，并可達到節(jié)約能源的目的。而標準通用PWM變頻器沒有設(shè)計使再生能量反饋到三相電源的功能。

如果將多臺變頻器的直流環(huán)節(jié)通過共用直流母線互連，則一臺或多臺電動機產(chǎn)生的再生能量就可以被其他電動機以電動的方式消耗吸收。或者，在直流母線上設(shè)置一組一定容量的制動單元和制動電阻，用以吸收不能被電動狀態(tài)電動機吸收的再生能量。

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，在具有多臺電動機的變頻調(diào)速系統(tǒng)中，選用共用直流母線方案，配置一組制動單元、制動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所示為應用比較廣泛的共用直流母線方案，該方案包括以下幾個部分。

1.三相交流電源進線

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是每臺變頻器的進線保護裝置。LR是進線電抗器，當多臺變頻器在同一環(huán)境中運行時，相鄰變頻器會互相干擾，為了消除或減輕這種干擾，同時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)動電動機在電動或制動時的最大電流，一般情況下，可以選擇額定負載電流的125%。

3.公共制動單元和（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。