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1、带你认识变频器 01变频器的内部主电路一、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D1D6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）V1V6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 变频器内部主电路二、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
2、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。三、
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四、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
4、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
5、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。图3 变频器的公用直流母线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
6、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。02变频器的外接主电路一、外接主电路结构变频器的外接主电路如图4所示。三相交流电源经断路器QF、交流接触器KM与变频器的电源输入端R、S、T连接；变频器的输
7、出端U、V、W则与电动机直接相连，这时电动机的保护由变频器完成。这里的断路器作用有：一是变频器停用或维修时，可通过断路器切断与电源之间的连接；二是断路器具有过电流和欠电压等保护功能，可对变频器起一定的保护作用。而接触器可通过按钮开关方便地控制变频器的通电与断电，同时，当变频器或相关控制电路发生故障时可自动切断变频器的电源。图4 变频器的外接主电路二、相关元件的选择变频器输出端与电动机之间是否需要配置交流接触器，这要根据具体的应用环境来确定。一般情况下，一台变频器控制一台电动机，且不要求与工频进行切换时，变频器与电动机之间不要使用接触器，如图4所示。而一台变频器驱动多台电动机时，则每台电动机必须
8、有单独控制的接触器，并选配合适的热继电器FR对电动机进行保护，具体电路如图5所示。有时虽然一台变频器仅驱动一台电动机，但有可能在变频与工频之间切换运行，这时也应在变频器与电动机之间配置接触器KM3和热继电器FR。如图6所示。接触器KM3在电动机工频运行时用于切断变频器输出端与电源之间的连接；热继电器FR可在工频运行时对电动机进行保护。图5 一台变频器驱动多台电动机图6 变频与工频切换三、变频器与电动机之间的允许距离变频器的输出电压宣称是正弦交流电，而实际上输出的是电压脉冲序列，其频率等于载波频率，约几kHz20kHz，幅值等于直流回路电压平均值，当变频器与电动机之间的连接线很长时，导线的分布电
9、感和线间分布电容的作用将不可忽视，线间分布电容与电动机的漏磁电感之间有可能因接近于谐振点而导致电动机的输入电压偏高，使电动机损坏，或运行时发生振动。因此，变频器与电动机之间的允许距离（允许导线长度）受到了限制。由于各种变频器内部采用了不同的技术方案，所以其允许距离也有区别。表1是几种变频器与电动机之间允许距离规定值。表1 几种变频器关于电动机导线允许长度的规定03变频器中的IGBT与功能模块一、IGBT简介1.IGBT的技术特点GTO（门极关断晶闸管）和GTR（电力晶体管）是电流驱动器件，具有很强的通流能力，而它们的开关速度较慢，所需驱动功率大，驱动电路复杂。电力MOSFET(金属氧化物半导体
10、场效应晶体管)是单极型电压驱动器件，它的开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小，驱动电路简单。因此这两种器件各有其优缺点。IGBT（绝缘栅双极型晶体管）综合了GTR与MOSFET的优点，是以达林顿结构组成的一种新型电力电子器件，其主体部分与晶体管相同，有集电极C和发射极E，具有通流电流大，驱动功率小，驱动电路简单，开关速度快等良好的特性，自从20世纪80年代开始投入市场，应用领域迅速扩展，目前已经取代GTR和GTO，成为大、中功率电力电子设备的主导器件，该器件的工作电压和电流容量也在逐渐提高。IGBT是GTR和MOSFET相结合的一种新器件，它的输入端和场效应晶体管相同，是绝缘栅结
11、构，图7所示为IGBT的内部等效电路以及它的图形符号。图7 IGBT内部等效电路及图形符号2.IGBT的技术参数IGBT的主要技术参数有如下几个：1）集电极最大允许电流ICM：IGBT在饱和导通状态下，允许持续通过的最大电流。2）栅极驱动电压UGE：施加在栅极与发射极之间的电压。在变频器应用电路中，使IGBT饱和导通的UGE为12V20V，而当IGBT截止时，UGE为-15V-5V。3）集电极-发射极额定电压UCEX：IGBT的栅极-发射极短路、管子处在截止状态下集电极与发射极之间能承受的最大电压。4）开通时间与关断时间：电流从10%ICM上升到90%ICM所需要的时间，称作开通时间，用tON
12、表示；电流从90%ICM下降到到10%ICM所需要的时间，称作关断时间，用tOFF表示。ICM是IGBT集电极最大允许电流值。5）集电极-发射极饱和电压UCES：IGBT在饱和导通状态下，集电极与发射极之间的电压降。6）漏电流ICEO：IGBT在截止状态下的集电极电流。3.IGBT的使用注意事项随着电子技术及计算机控制技术的发展，IGBT正日益广泛地应用于小体积、低噪声、高性能的电源、通用变频器和电机控制、伺服控制、不间断电源（UPS）等场合。IGBT在使用过程中，应注意如下问题：1）一般IGBT的驱动级正向驱动电压GE应保持在15V20V，这样可使IGBT的饱和电压较小，损耗降低，避免损坏管
13、子。2)关断IGBT的栅极驱动电压-GE应大于5V，若这个负电压值太小，集电极电压变化率du/dt可能使管子误导通或不能关断。3)栅极和驱动信号之间应加一个栅极驱动电阻RG，该电阻的阻值与管子的额定电流有关，可以在IGBT使用手册中查到。如果不加这个电阻，管子导通瞬间，可能产生电流和电压颤动，增加开关损耗。4)设备短路时，IC电流会急剧增加，使GE产生一个尖脉冲，这个尖脉冲会进一步增加IC电流，形成正反馈。为了保护管子，可在栅极发射极间加一个稳压二极管，钳制G-E电压突然上升。当驱动电压为15V时，稳压管的稳压值可以为16V。二、变频器中的模块逆变电路在变频器中，由IGBT以及相应的驱动控制、
14、保护电路构成完整的逆变电路，实现将直流电逆变为交流电的功能。逆变电路可以由分立元器件或具有各种功能的模块电路构成。随着技术的发展和进步，分立元器件构成的逆变电路已经退出历史舞台。1.IGBT模块在变频器的应用电路中，通常在IGBT的旁边反向并联一个二极管，而且经常做成模块形式，图8所示就是各种结构的IGBT模块。图8 几种结构的IGBT模块2.EXB系列IGBT驱动模块及其应用富士EXB系列IGBT驱动模块是目前国内市场应用较多的驱动模块，该系列中一款驱动模块与IGBT的连接电路如图1-11所示，图中方框内的电路就是EXB驱动模块，方框边线上的数字是模块的引脚编号。模块的2脚和9脚是20V的工
15、作电源，2脚为正；3脚是模块的驱动输出端，在模块内连接由晶体管V1、V2组成的推挽电路的中点，对外经栅极电阻RG连接IGBT的栅极；在2脚和9脚之间，电阻R1和稳压管VS稳压一个5V电压，经模块1脚与IGBT管的发射极连接；模块的6脚与IGBT管的集电极连接，用于进行过电流保护。CPU的控制信号从15脚和14脚输入。当15脚和14脚之间有输入信号时，该输入信号经隔离、放大器A放大，在a点形成高电位，使V1导通，V2截止，此时2脚的20V电压经V1、3脚、RG连接到IGBT的栅极G，使栅极G的电位为20V，而发射极E与1脚的5V连接，所以IGBT的栅极与发射极之间电压UGE=+20V-5V=+1
16、5V，IGBT饱和导通。当15脚和14脚之间的输入信号为0时，a点为低电位，此时V1截止，V2导通，模块的3脚经V2与9脚的0V连接，这时的情况相当于IGBT的栅极为0V，发射极为5V，因此UGE=-5V。IGBT截止。以上过程实现了驱动模块对IGBT的驱动控制。3.IGBT的栅极电阻RG在图9中，IGBT的栅极接有一个电阻RG，这个电阻的选择非常重要，这是因为IGBT管的栅极G和发射极E之间存在着寄生的结电容CGE，这个电容的充放电将影响到IGBT的工作。RG阻值大，将延长IGBT的开通和关断时间；RG阻值太小，IGBT关断太快，将使IGBT的C、E极电压迅速从饱和导通状态时的低于3V上升到约为500V以上，这将通过集电极和栅极之间的结电容UCG产生反馈电流iCG，对IG
