變頻器內(nèi)部主電路分析

隨著電力電子器件的發(fā)展和我國節(jié)能減排要求的提高，變頻器控制得到了大量的應(yīng)用。由于安裝使用量越來越大，在其優(yōu)勢突顯的同時(shí)，不可避免地故障維修量也同時(shí)加大了。

變頻器的組成

1、組成變頻器的電子元器件

變頻器內(nèi)部包含著非常大量的電子元器件，每一個(gè)電子元器件都起著至關(guān)重要的作用。

這些元器件包括：電阻、電容、電感、二極管、三極管、場效應(yīng)管、IGBT等。連接起這些器件的重要原件就是IC芯片，變頻器內(nèi)有著大量的運(yùn)算放大器。使用范圍包括CPU、驅(qū)動(dòng)電路等均需要IC芯片。

2、變頻器內(nèi)部組成

按功能分，分為主電路，輔助開關(guān)電源，控制板以及驅(qū)動(dòng)板。示意圖如下所示：

圖3 變頻器內(nèi)部組成電路原理圖

根據(jù)上圖所示分為四大塊區(qū)域：

（1）主回路

主電路裝置由以下順序進(jìn)行：RST進(jìn)線（進(jìn)線上安裝不帶有漏電保護(hù)裝置的空氣開關(guān)、熔斷器等過電保護(hù)裝置，部分安裝壓敏電阻進(jìn)行過電壓保護(hù)）；整流橋（由6個(gè)二極管組成，將交流電變?yōu)橹绷麟姡?；充電電阻（啟?dòng)時(shí)限流作用。并聯(lián)接觸器，到達(dá)一定電壓后吸合線圈）；吸收電容（濾波作用，在充點(diǎn)電阻和電解電容兩邊各有一個(gè)）；保險(xiǎn)管（過電流保護(hù)功能）；電解電容（充電電容，與前面原件串聯(lián)，兩兩電容間并聯(lián)均壓電阻）；溫度檢測電路（主要原件為熱敏電阻NTC）；IGBT（由6或7個(gè)IGBT組成變頻器最重要的部分，通過改變開關(guān)的通斷時(shí)間和頻率改變電壓），UVW出線（連接霍爾原件/互感器）。

（2）輔助開關(guān)電源

這部分為驅(qū)動(dòng)板和控制板提供+22V、+24V（控制端子、電風(fēng)扇、繼電器用電）、+5V（CPU用電）、+15V（互感器、模擬芯片用電）、-15V（互感器、模擬芯片用電）等多種電壓，通過多種電壓進(jìn)行各類信號(hào)的觸發(fā)。輔助開關(guān)電源取自主電路PN兩點(diǎn)電壓。具體如下：

a、主回路：P→電壓器→一次側(cè)→開關(guān)管→限流電阻→N

b、振蕩回路：啟動(dòng)電阻→變壓器二次側(cè)→整流管→IC芯片Vcc管腳

c、限流保護(hù)電路：限流電阻→IC芯片Ifb管腳（反饋電流）

d、輸出電路：整流→濾波→負(fù)載

e、穩(wěn)壓回路：輸出端采集→穩(wěn)壓管→光耦→IC芯片Ufb管腳（電壓反饋）

（3）控制板

控制板包括大量端子及光耦、CPU、繼電器等。對主回路上IGBT的通斷等進(jìn)行控制。其供電來自于輔助開關(guān)電源，信號(hào)經(jīng)由驅(qū)動(dòng)板改變?yōu)殡娦盘?hào)，供給IGBT進(jìn)行通斷。

（4）驅(qū)動(dòng)板

驅(qū)動(dòng)電路決定何時(shí)通何種電。驅(qū)動(dòng)電路一般分為四個(gè)，N1—N4，其中N1—N3為上三個(gè)的IGBT分別供電，N4為下三個(gè)IGBT集中供電。常見的驅(qū)動(dòng)器芯片有TLP250、HCPL3120、J312、HCNW3120。

變頻器內(nèi)部主電路

一、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。

二、均壓電阻和限流電阻

上圖中，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：

1、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；

2、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。

三、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，如下圖所示。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。

四、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。

? ? ? ?1、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。

2、或者，在直流母線上設(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。