第06章《變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)》(修改版)

北京自動(dòng)化技術(shù)培訓(xùn)中心變頻器原理應(yīng)用維修（內(nèi)部資料注意保存）《中國(guó)變頻器維修網(wǎng)》培訓(xùn)中心主講:魏立建

Mobile-mail：weilj@課間歡迎學(xué)員隨時(shí)提出疑問(wèn)討論問(wèn)題第六章：變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)6.1變頻器的組成變頻器為了適應(yīng)工程需要，要有一系列控制端子，要有操作面板，要能夠進(jìn)行程序的讀出寫(xiě)入，變頻器內(nèi)部，為了進(jìn)行工作時(shí)的保護(hù)，要設(shè)置相應(yīng)的保護(hù)電路。第六章：變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)變頻器結(jié)構(gòu)框圖第六章：變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)6.1.1主電路整流電路、起動(dòng)保護(hù)、濾波電路、逆變電路、指示電路、制動(dòng)單元、輸入端子、輸出端子。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(guò)程中出現(xiàn)的許多現(xiàn)象都可通過(guò)主體電路來(lái)進(jìn)行分析。因此，熟悉主體電路的結(jié)構(gòu)，透徹了解各部分的原理，具有十分重要的意義。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、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，即上圖中的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)殡娊怆娙莸碾娙萘坑休^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，使承受電壓較高一測(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(gè)阻值相等的均壓電阻RC1和RC2。（2）限流電路，即如上圖中，串接在整流橋和濾波電容器之間，由限流電阻RL和電路開(kāi)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)過(guò)整流橋流向?yàn)V波電容，使整流橋可能因此而受到損壞。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(duì)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與濾波電容之間的。短路開(kāi)關(guān)SL的作用是：限流電阻RL如長(zhǎng)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(kāi)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，也常有接觸器或繼電器的觸點(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(méi)有快速放電的回路，其放電時(shí)間往往長(zhǎng)達(dá)數(shù)分鐘。又由于CF上的電壓較高，如不放完，對(duì)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)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，其工作原理在本章第一節(jié)已經(jīng)說(shuō)明。逆變橋電路由下圖中的開(kāi)關(guān)器件V1-V6構(gòu)成。目前中小容量的變頻器中，開(kāi)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(wú)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(guò)程中釋放能量提供通路。3、緩沖電路（R01-R06、CO1-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，下圖是比較典型的一種2-27。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(guò)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(guò)程中，電壓增長(zhǎng)率是很高的，將容易導(dǎo)致逆變管的損壞。C01--C06的功能便是減小V1-V6在關(guān)斷時(shí)的電壓增長(zhǎng)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上所沖的電壓（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(lái)限制C01-C06對(duì)V1-V6的放電電流的。（3）二極管VD01-VD02。限流電阻R01-R06的接入，又會(huì)影響C01-C06在V1-V6的關(guān)斷時(shí)限制電壓增長(zhǎng)率的效果。VD01-VD02接入后，在V1-V6的關(guān)斷過(guò)程中，使R01-R06不起作用。單相逆變橋原理變頻的方法三相逆變橋逆變器件的條件逆變器件的發(fā)展逆變器件的發(fā)展逆變器件的發(fā)展三、能耗制動(dòng)電路1、能耗制動(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(guò)逐漸減小頻率來(lái)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)速低于這個(gè)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，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)下圖中的續(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(wú)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(guò)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(guò)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。電阻能耗制動(dòng)采用的方法是在變頻器直流側(cè)加放電電阻單元組件，將再生電能消耗在功率電阻上來(lái)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。這是一種處理再生能量的最直接的辦法，它是將再生能量通過(guò)專門(mén)的能耗制動(dòng)電路消耗在電阻上，轉(zhuǎn)化為熱能制動(dòng)電阻RB用于消耗掉直流電路中的多余電能，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(shuō)，當(dāng)直流回路的電壓UD超過(guò)規(guī)定的限值時(shí)，VB導(dǎo)通，使直流回路通過(guò)RB釋放能量，降低直流電壓。而當(dāng)UD在正常范圍內(nèi)時(shí)，BV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，如下圖所示。五、電路結(jié)構(gòu)變頻器使用實(shí)物----西門(mén)子變頻器操作面板變頻器主電路主控部分(CPU通訊)變頻器電路主體結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電路部分檢測(cè)電路部分主電路部分第六章：變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.整流電路VD1—VD6整流二極管，c1、c2，濾波電容，RL，限流電阻。逆變?cè)鞵WM1）逆變?cè)硐旅娣治鲈鯓訉⒁粋€(gè)直流電變?yōu)檎也ǖ膯?wèn)題。①采樣原理

PWM技術(shù)的理論基礎(chǔ)是采樣控制理論中的面積等效控制原理。即：加在慣性環(huán)節(jié)上的窄脈沖，盡管形狀不同，只要面積相等，其作用在慣性環(huán)節(jié)上的效果相同（慣性環(huán)節(jié)就是電感、電容）。第六章：變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)②脈寬調(diào)制波SPWM：將一個(gè)正弦波電壓分為N等份，并把正弦曲線每一等份所包圍的面積都用一個(gè)與其面積相等的等幅矩形脈沖來(lái)代替，脈沖的寬度與正弦波的大小成正比，這樣得到的脈沖列，就是SPWM波。

實(shí)際應(yīng)用中SPWM波的形成：調(diào)制方法：利用載波和調(diào)制波相比較方式來(lái)確定脈寬和間隔。調(diào)制波ur：所希望生成的等效正弦波載波uc：等腰三角波或鋸齒波第六章：變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)2)sPWM波的生成按照調(diào)制脈沖的極性關(guān)系，PWM逆變電路的控制方式分為：①單極性控制:任一時(shí)刻載波與調(diào)制波的極性相同，在任意半個(gè)周期SPWM波單方向變化；正半周：ur＞uc時(shí)，有脈沖；ur＜uc時(shí)，無(wú)脈沖。副半周：ur＜uc時(shí)，有脈沖；ur＞uc時(shí)，無(wú)脈沖。第六章：變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)2)雙極性控制：載波雙方向變化，在任意半個(gè)周期SPWM波雙方向變化；ur＞uc時(shí)，正脈沖；ur＜uc時(shí)，負(fù)脈沖第六章：變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)3)三相逆變波形加在6只逆變管上的信號(hào)都為開(kāi)關(guān)信號(hào)，6只逆變管就相當(dāng)于6個(gè)開(kāi)關(guān)，管子導(dǎo)通相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合，截止時(shí)相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。第六章：變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)4.開(kāi)關(guān)器件1）二極管二極管是單向?qū)щ娖骷?，加正向電壓，?dǎo)通，相當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合；加反向電壓，截止，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)第六章：變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)2）絕緣柵雙極晶體管（IGBT）①結(jié)構(gòu)及外形IGBT是MOS和GTR取長(zhǎng)補(bǔ)短相結(jié)合的產(chǎn)物，具有柵極G、集電極C、和發(fā)射極E的三個(gè)引出端。第六章：變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)②工作特點(diǎn)：當(dāng)uGE≤UGE(th)（開(kāi)啟電壓）時(shí)，IGBT截止，無(wú)iC；當(dāng)uGE﹥UGE(th)

時(shí)，uCE加正壓，IGBT導(dǎo)通，其輸出電流iC與驅(qū)動(dòng)電壓uGE基本呈線形關(guān)系。如圖所示為IGBT的驅(qū)動(dòng)電壓uGE與輸出電流iC的關(guān)系，此曲線稱為IGBT的轉(zhuǎn)移特性曲線。③參數(shù)：IGBT工作時(shí)，UGE導(dǎo)通電壓15V、關(guān)斷電壓-5V。開(kāi)關(guān)頻率小于100kHz。第六章：變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

6.1.2其他電路

1.輸入端隔離電路變頻器有一系列的輸入端子，這些輸入端子和CPU是通過(guò)隔離電路聯(lián)系的。輸入端隔離電路出了問(wèn)題，影響端子的正常輸入，因?yàn)槊總€(gè)輸入端子獨(dú)立連接一只光電耦合器，哪一只光電耦合器出了問(wèn)題，那一路輸入端子不能正常工作。第六章：變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.I-U轉(zhuǎn)換電路該電路是模擬輸入電壓、電流、以及模擬輸出指示端子的轉(zhuǎn)換電路。該電路出了問(wèn)題，會(huì)影響這幾路信號(hào)的正常工作。第六章：變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)3.DC/DC電源這是變頻器除了主電路之外所有電路的供電電源。它出了故障，整個(gè)變頻器停止工作。因?yàn)樵撾娫吹妮敵龆耸欠纸M輸出，哪一組出了問(wèn)題，影響那一組所對(duì)應(yīng)的電路。第六章：變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)電源電路圖圖中L1為一次電路，L2、L3、L4、L5為二次電路，工作時(shí)一次電路導(dǎo)通，二次電路截止，一次電路截止時(shí)，二次電路導(dǎo)通。二次電路的輸出電壓由開(kāi)關(guān)管的脈沖寬度調(diào)節(jié)。開(kāi)關(guān)電源容易損壞的元件是濾波電容、整流二極管、開(kāi)關(guān)管。第六章：變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)4.過(guò)壓/欠壓保護(hù)電路該電路是直流母線電壓的檢測(cè)電路，檢測(cè)直流母線欠壓或過(guò)壓。該電路出了問(wèn)題，一是不能正確的提供檢測(cè)保護(hù)信號(hào)，產(chǎn)生誤報(bào)；二是失去保護(hù)功能，使制動(dòng)電阻不能工作，引起主電路過(guò)壓而損壞。第六章：變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)5.驅(qū)動(dòng)電路該電路是將CPU輸出的PWM信號(hào)進(jìn)行放大，驅(qū)動(dòng)IGBT開(kāi)關(guān)工作。該電路和主電路緊密相連，是很重要，又容易出故障的一部分電路第六章：變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)1）驅(qū)動(dòng)電路隔離放大、驅(qū)動(dòng)放大電路、驅(qū)動(dòng)電路電源①光耦隔離電路圖中IC為PWM輸出和驅(qū)動(dòng)電路的隔離電路。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路損壞不至于將故障擴(kuò)大到PWM發(fā)生電路。②V1為第一級(jí)放大；V2、V3為輸出跟隨器，提高輸出能力。③圖中穩(wěn)壓管DZ使電源電壓穩(wěn)定在20V。注：隔離電路中的光耦隔離集成塊容易損壞。第六章：變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)2）驅(qū)動(dòng)電路和電源的連接電路作用：為驅(qū)動(dòng)電路提供直流電源。該電路由一只5V穩(wěn)壓管取得5V電源，加在IGBT開(kāi)關(guān)管的發(fā)射極上，使驅(qū)動(dòng)信號(hào)在零時(shí)，保證IGBT控制極為5V的負(fù)電壓，使管子可靠的截止。該電源需要4組，三個(gè)帶浮地，一個(gè)直接接地。該電源由變頻器的DC/DC直流電源提供。第六章：變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)6.保護(hù)電路是保護(hù)逆變橋過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載等的保護(hù)電路。它由檢測(cè)、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換等電路組成。該電路出了故障，一是誤報(bào)；二是失去保護(hù)功能，造成逆變橋的損壞。第六章：變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)1）電流檢測(cè)電路通過(guò)檢測(cè)變頻器的輸出電流，進(jìn)行過(guò)流、過(guò)載計(jì)算，當(dāng)判斷為過(guò)流、過(guò)載，立即封鎖變頻器的輸出脈沖，使PWM電路停止工作。R121為檢測(cè)電阻，檢測(cè)電流為1A。(檢測(cè)電流為100A,R121為0.015)。第六章：變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)2）直流電壓檢測(cè)電路為保證電網(wǎng)電壓變化時(shí)，仍能保證U/f=C的控制方式，由該電路實(shí)時(shí)檢測(cè)直流電路的電壓Ud,根據(jù)Ud的變化調(diào)整PWM波的占空比。第六章：變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)7.操作面板操作面版是采用接插件連接，接觸不良，會(huì)引起個(gè)別功能消失，供電不良會(huì)引起黑屏。個(gè)別功能部件失靈，可能是按鍵接觸虛。第六章：變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)8.開(kāi)路集電極輸出端子該端子由隔離電路（與CPU隔離）。因?yàn)槭褂玫脑驌p壞率較高。一般屬于開(kāi)路晶體管過(guò)流所致。判斷較容易，因?yàn)槠渌麕茁啡绻呛玫模淮艘宦酚袉?wèn)題，可斷定該只管子有問(wèn)題；如果各只管子都有問(wèn)題，則可能問(wèn)題出在單片機(jī)。第六章：變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)9.故障接點(diǎn)開(kāi)關(guān)該開(kāi)關(guān)主要為變頻器的故障報(bào)警用，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，該端子輸出故障信號(hào)。第六章：變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)10.單片機(jī)單片機(jī)又稱CPU，是整個(gè)變頻器的核心器件，如同人的大腦，輸出各種控制信號(hào)和處理輸入、檢測(cè)等信號(hào)。CPU是集成電路，又經(jīng)過(guò)層層保護(hù)，故障率很低。正常工作時(shí)的損壞率很低，雷擊、變頻器電源引起的過(guò)壓、工作環(huán)境潮濕、靜電感應(yīng)等可能引起損壞。在故障維修時(shí)，沒(méi)有充分的理由，不要輕易懷疑單片機(jī)有問(wèn)題。因?yàn)閱纹瑱C(jī)有問(wèn)題，就得換主板。第六章：變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)11.16MHz晶振晶振是CPU的主頻震蕩器震蕩器件。它不是一個(gè)很耐用的器件。在眾多的電子設(shè)備中，晶振的損壞時(shí)有發(fā)生。因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)是兩個(gè)金屬片中夾著一塊晶體，晶體怕震、怕氧化。晶振出了問(wèn)題，整個(gè)變頻器都不能正常工作。晶振結(jié)構(gòu)補(bǔ)充：高壓變頻器知識(shí)6.2高壓變頻器主電路拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)按照電壓的劃分，低于1kV，稱為低壓；大于lkV、小于10kV,稱為中壓，10kV以上，稱為高壓。我們習(xí)慣上把額定電壓為6kV或3kV的電動(dòng)機(jī)稱為“高壓電動(dòng)機(jī)”，因此，我們也把工作電壓在1～lOkV的變頻器統(tǒng)稱為中(高)壓變頻器。中（高）壓變頻器因?yàn)楣ぷ麟妷荷?，開(kāi)關(guān)器件因?yàn)槭艿侥蛪旱南拗?，不能完全承受電源的高電壓，使主電路和低壓變頻器有了很大的區(qū)別。為了使變頻器能工作在高電壓，人們研究出了多種不同的電路結(jié)構(gòu)。高壓變頻器知識(shí)1.高-低-高變頻器它是把電網(wǎng)的高壓或中壓經(jīng)降壓變壓器降為低壓，通過(guò)低壓變頻器變頻，然后再經(jīng)升壓變壓器將低壓升為中壓，供給電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。實(shí)際上這種電路結(jié)構(gòu)所用的變頻器為低壓變頻器。高壓變頻器知識(shí)2.高—中型高—中型變頻器是把電網(wǎng)的高壓經(jīng)降壓變壓器降為中壓，送入中壓變頻器，中壓變頻器的輸出驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。高壓變頻器知識(shí)功率單元串聯(lián)高壓變頻器功率單元串聯(lián)高壓變頻器，屬于“高—中型”變頻器。主電路是利用移相變壓器降壓，再通過(guò)多個(gè)低壓變頻功率單元串聯(lián)組成。各功率單元分別由多繞組移相降壓變壓器的一組二次繞組供電。多繞組移相降壓變壓器是功率單元串聯(lián)高壓變頻器電路中的一個(gè)重要部件。高壓變頻器知識(shí)功率單元為三相輸入、單相輸出的交—直—交P