2021年09月22日 | 变频器内部主电路详解

变频器不同系列交-直-交内部的主电路基本相同，在应用变频调速时，产生的许多现象都可以通过主体电路来进行分析。所以，熟悉变频器主电路的结构及工作原理显得十分必要。

一、 交直变换

交-直变换电路就是整流和滤波电路，其任务是把电源的三相（或单相）交流电变换成平稳的直流电。由于整流后的直流电压较高，且不允许再降低，因此，在电路结构上具有特殊性。

1、波整流电路

在SPWM变频器中，大多采用桥式全波整流电路。在中、小容量的变频器中，整流器件采用不可控的整流二极管或二极管模块，如图中的VD1～VD6所示。

当三相线电压为380V时，整流后的峰值电压为537V，平均电压为515V。

2、滤波及限流电路

（1）滤波电路，即图中的CF1和CF2。由于受到电解电容的电容量和耐压能力的限制，滤波电路通常由若干个电容器并联成一组，又由两个电容器组CF1和CF2串联而成。因为电解电容器的电容量有较大的离散性，故电容器组CF1和CF2的电容量常不能完全相等。其结果是各电容器组承受的电压UD1和UD2不相等，使承受电压较高一侧的电容器组容易损坏。

为了使UD1和UD2相等，在CF1和CF2旁备并联一个阻值相等的均压电阻RC1和RC2。

（2）限流电路，即图中，串接在整流桥和滤波电容器之间，由限流电阻RL和短路开关SL组成的并联电路。

限流电阻RL的作用是：变频器在接入电源之前，滤波电容CF上的直流电压UD=0。因此，当变频器刚接入电源的瞬间，将有一个很大的冲击电流经整流桥流向滤波电容，使整流桥可能因此而爱到损坏。如果电容器的容量很大，还会使电源电压瞬间下降而形成对电网的干扰。限流电阻RL就是为了削弱该冲击电流而串接在整流桥和滤波电容之间的。

短路开关SL的作用是：限流电阻RL如常期接在电路内，会影响直流电压UD和变频器输出电压的大小。所以，当UD增大到一定程度时，令短路开关SL接通，把RL切出电路。SL大多由晶闸管构成，在容量较小的变频器中，也常由接解器或继电器的触点构成。

3、电源指示

电源指示灯HL除了表示电源是否接通外，还有一个十分重要的功能，即在变频繁器切断电源后，表示滤波电容器CF上的电荷是否已经释放完毕。

由于CF的容量较大，而切断电源又必须在逆变电路停止工作的状态下进行，所以CF没有快速放电的回路，其放电时间往往长达数分钟。又由于CF上的电压较高，如不放完，对人身安全将构成威胁。故在维修变频器时，必须等HL完全熄灭后才能接触变频器内部的导电部分，所以，HL也具有提示保护的作用。

二、 直交变换

1、三相逆变桥电路

逆变桥电路的功能是把直流电转换成三相交流电，其工作原理在绪论中已经说明。

逆变桥电路由图中的开关器件V1～VD6构成。目前中小容量的变频器中，开关器件大部分使用IGBT管。

2、续流电路

由图中的VD7～VD12构成。其功能是：

（1） 为电动机绕组的无功电流返回直流电路时提供通路。

（2） 当频率下降从而同步转速下降时，为电动机的再生电能反馈至直流电路提供通路。

（3） 为电路的寄生电感在逆变过程中释放能量提供通路。

3、缓冲电路（R01～R06、C01～C06、VD01～VD06）

逆变管在关断和导通的瞬间，其电压和电流的变化率是很大的，有可能使逆变管受到损害。因此，每个逆变管旁还应接入缓冲电路，以减缓电压和电流的变化率。缓冲电路的结构因逆变管的特性和容量等的不同而有较大差异，图2-27所示是比较典型的一种。各元件的功能如下：

（1） 电容C01～C06。逆变管V1～V6每次由导通状态转换成截止状态的过程中，集电极（C极）和发射极（E极）之间的电压UCE将极为迅速地由近乎0V上升至直流电压值UD。在此过程中，电压增长率是很高的，将容易导致逆变管损坏。C01～C06的功能便是减小V1～V6在关断时的电压增长率。

（2） 电阻R01～R06。V1～V6每次由截止状态转换为导通状态时，C01～C06上所充的电压（等于UD）将向V1～V6放电。放电电流的初始值是很大的，并且将迭加到负载电流上，导致V1～V6损坏。电阻R01～R06就是用来限制C01～C06对V1～V6的关断过程中，使R01～R06不起作用。

三、 能耗制动电路

1、耗制动电路的作用

在变频调速系统中，电动机的降速和停机，是通过逐渐减小频率来实现的。在频率刚减小的瞬间，电动机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的原因，电动机的转速未变。当同步转速低于转子转速时，转子绕组切割磁力线的方向相反了，转子电流的相位几乎改变了π（180°），使电动机处于发电状态，也称为再生制动状态。

电动机再生的电能经图中的续流二极管（VD7～VD12）全波整流后反馈到直流电路中，由于直流电路的电能无法回输给电网，只能由CF1和CF2吸收，使直流电压升高，称为“泵升电压”。过高的直流电压将使变流器件受到损害。因此，当直流电压超过一定值时，就要求提供一条放电回路，将再生的电能消耗掉。这一条放电回路，就是能耗制动电路。

2、能耗电路的构成

能耗电路由制动电阻RB和制动单元BV构成，如图所示。

制动电阻RB用于消耗掉直流电路中的多余电能，使直流电压保持平稳。

制动单元BV的功能是控制放电回路的工作。具体地说，当真流回路的电压UD超过规定的限值时，VB导通，使直流回路通过RB释放能量，降低直流电压。而当UD在正常范围内时，VB将可靠截止，以避免不必要的能量损失。

四、 主电路

将上述各部分电路汇总后成为主电路，如图1所示。

（图1）变频器主电路图

变频器内部主电路详解

1、内部主电路结构

采用“交-直-交”结构的低压变频器，其内部主电路由整流和逆变两大部分组成，如图1所示。从R、S、T端输入的三相交流电，经三相整流桥（由二极管D1～D6构成）整流成直流电，电压为UD。电容器C1和C2是滤波电容器。6个IGBT管（绝缘栅双极性晶体管）V1～V6构成三相逆变桥，把直流电逆变成频率和电压任意可调的三相交流电。

图1 变频器内部主电路

2、 均压电阻和限流电阻

图1中，滤波电容器C1和C2两端各并联了一个电阻，是为了使两只电容器上的电压基本相等，防止电容器在工作中损坏（目前，由于技术的进步，低压（380V）变频器的电解电容大多数可以不需要串联使用了）。

在整流桥和滤波电容器之间接有一个电阻R和一对接触器触点KM，其缘由是：变频器刚接通电源时，滤波电容器上的电压为0V，而电源电压为380V时的整流电压峰值是537V，这样在接通电源的瞬间将有很大的充电冲击电流，有可能损坏整流二极管；另外，端电压为0的滤波电容器会使整流电压瞬间降低至0V，形成对电源网络的干扰。

为了解决上述问题，在整流桥和滤波电容器之间接入一个限流电阻R，可将滤波电容器的充电电流限制在一个允许范围内。但是，如果限流电阻R始终接在电路内，其电压降将影响变频器的输出电压，也会降低变频器的电能转换效率，因此，滤波电容器充电完毕后，由接触器KM将限流电阻R短接，使之退出运行。

3、主电路的对外连接端子

各种变频器主电路的对外连接端子大致相同，如图2所示。其中，R、S、T是变频器的电源端子，接至交流三相电源；U、V、W为变频器的输出端子，接至电动机；P+是整流桥输出的+端，出厂时P+端与P端之间用一块截面积足够大的铜片短接，当需要接入直流电抗器DL时，拆去铜片，将DL接在P+和P之间；P、N是滤波后直流电路的+、-端子，可以连接制动单元和制动电阻；PE是接地端子。

图2 主电路对外连接端子

4、变频系统的共用直流母线

电动机在制动（发电）状态时，变频器从电动机吸收的能量都会保存在变频器直流环节的电解电容中，并导致变频器中的直流母线电压升高。如果变频器配备制动单元和制动电阻（这两种元件属于选配件），变频器就可以通过短时间接通电阻，使再生电能以热方式消耗掉，称做能耗制动。

当然，采取再生能量回馈方案也可解决变频调速系统的再生能量问题，并可达到节约能源的目的。而标准通用PWM变频器没有设计使再生能量反馈到三相电源的功能。

如果将多台变频器的直流环节通过共用直流母线互连，则一台或多台电动机产生的再生能量就可以被其他电动机以电动的方式消耗吸收。或者，在直流母线上设置一组一定容量的制动单元和制动电阻，用以吸收不能被电动状态电动机吸收的再生能量。

若共用直流母线与能量回馈单元组合，就可以将直流母线上的多余能量直接反馈到电网中来，从而提高系统的节能效果。综上所述，在具有多台电动机的变频调速系统中，选用共用直流母线方案，配置一组制动单元、制动电阻和能量回馈单元，是一种提高系统性能并节约投资的较好方案。

图3所示为应用比较广泛的共用直流母线方案，该方案包括以下几个部分。

1.三相交流电源进线

各变频器的电源输入端并联于同一交流母线上，并保证各变频器的输入端电源相位一致。图3中，断路器QF是每台变频器的进线保护装置。LR是进线电抗器，当多台变频器在同一环境中运行时，相邻变频器会互相干扰，为了消除或减轻这种干扰，同时为了提高变频器输入侧的功率因数，接入LR是必须的。

2.直流母线

KM是变频器的直流环节与公用直流母线连接的控制开关。FU是半导体快速熔断器，其额定电压可选700V，额定电流必须考虑驱动电动机在电动或制动时的最大电流，一般情况下，可以选择额定负载电流的125%。

3.公共制动单元和（或）能量回馈装置

回馈到公共直流母线上的再生能量，在不能完全被吸收的情况下，可通过共用的制动电阻消耗未被吸收的再生能量。若采用能量回馈装置，则这部分再生能量将被回馈到电网中，从而提高节能的效率。

4.控制单元

各变频器根据控制单元的指令，通过KM将其直流环节并联到共用直流母线上，或是在变频器故障后快速地与共用直流母线断开。