第六章《变频器内部结构》

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1、（内部资料 注意保存） 中国工业自动化培训网,变频器原理应用维修,AC Inverter Application Technology,主讲:骆建方 MP ： 18962174766 E-mail：18962174766 课间欢迎学员随时提出疑问讨论问题,变频器原理应用维修,第六章：变频器内部结构,6.1 变频器的组成 变频器为了适应工程需要，要有一系列控制端子，要有操作面板，要能够进行程序的读出写入，变频器内部，为了进行工作时的保护，要设置相应的保护电路。,第六章：变频器内部结构,变频器结构框图,第六章：变频器内部结构,第六章：变频器内部结构,6.1.1主电路 整流电路、起动保护、滤波电路、

2、逆变电路 、指示电路 、制动单元 、输入端子、 输出端子。,不同系列交-直-交变频器内部的主体电路基本相同，变频调速过程中出现的许多现象都可通过主体电路来进行分析。因此，熟悉主体电路的结构，透彻了解各部分的原理，具有十分重要的意义。 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。,第六章：变频器内部结构,第六章：变频器内部结构（补充）,1.整流电路 VD1VD6整流二极管，c1、c2，滤波电容，RL，限流电阻。,1、 全波整流电路 在SPWM变频器中，大多采用桥式

3、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。,第六章：变频器内部结构,* U2 是整流变压器二次侧额定相电压的有效值。,当 0 0 ，晶闸管装置处于整流状态，电功率从交流侧输送到直流侧； 当 /2 max 时， Ud0 0 ，装置处于有源逆变状态，电功率反向传送。 为避免逆变颠覆，应设置最大的移相角限制。相控整流器的电压控制曲线如下图,整流与逆变状态,通过设置控制电压限幅值，来限制最大触发角。,逆变颠覆限制,第六章：变频器内部结构,2 滤波及限流电路 （

4、1）滤波电路，即上图中的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，使承受电压较高一测的电容器组容易损坏。 为了使UD1和UD2相等，在CF1和CF2旁各并联一个阻值相等的均压电阻RC1和RC2。,第六章：变频器内部结构,（2）限流电路，即如上图中，串接在整流桥和滤波电容器之间，由限流电阻RL和电路开关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

5、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过整流桥流向滤波电容，使整流桥可能因此而受到损坏。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与滤波电容之间的。 短路开关SL的作用是：限流电阻RL如长期接在电路内，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，也常有接触器或继电器的触点构成。,第六章：变频器内部结构,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

6、的功能，即在变频器切断电源后，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也具有提示保护作用。,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，其工作原理在本章第一节已经说明。 逆变桥电路由下图中的开关器件V1-V6构成。目前中小容量的变频器中，开关器件大部分使用IGBT管。,第六章：变频器内部结构,第六章：变频器内部结构,

7、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、CO1-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，下图是比较典型的一种2-27。各元件的功能如下：,（1）电容C01-C06。逆变管V1-V

8、6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，将容易导致逆变管的损坏。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上所冲的电压（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的放电电流的。 （3）二极管VD01-VD02。限流电阻R01-R06的接入，又会影响C01-C06在

9、V1-V6的关断时限制电压增长率的效果。VD01-VD02接入后，在V1-V6的关断过程中，使R01-R06不起作用。,第六章：变频器内部结构,实例：ABB ACS800,单相逆变桥原理,变频的方法,三相逆变桥,三、能耗制动电路,1、能耗制动电路的作用 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。当同步转速低于这个转速时，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，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下图中的续流二极管（VD7-VD12）全波整流后

10、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。电阻能耗制动采用的方法是在变频器直流侧加放电电阻单元组件，将再生电能消耗在功率电阻上来实现制动。这是一种处理再生能量的最直接的办法，它是将再生能量通过专门的能耗制动电路消耗在电阻上，转化为热能,制动电阻RB用于消耗掉直流电路中的多余电能，直流电压保持平稳。 制动单元BV

11、的功能是控制放电回路的工作。具体地说，当直流回路的电压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，BV将可靠截止，以避免不必要的能量损失。,第六章：变频器内部结构,四、主电路,将上述各部分电路汇总后成为主电路，如下图所示。,五、电路结构,逆变原理PWM,1）逆变原理 下面分析怎样将一个直流电变为正弦波的问题。 采样原理 PWM技术的理论基础是采样控制理论中的面积等效控制原理。即：加在惯性环节上的窄脉冲，尽管形状不同，只要面积相等，其作用在惯性环节上的效果相同（惯性环节就是电感、电容）。,第六章：变频器内部结构,脉宽调制波SPWM：将一个正弦

12、波电压分为N等份，并把正弦曲线每一等份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替，脉冲的宽度与正弦波的大小成正比，这样得到的脉冲列，就是SPWM波。 实际应用中SPWM波的形成： 调制方法： 利用载波和调制波相比较方式来确定脉宽和间隔。 调制波ur： 所希望生成的等效正弦波 载波uc： 等腰三角波或锯齿波,第六章：变频器内部结构,2)sPWM波的生成 按照调制脉冲的极性关系，PWM逆变电路的控制方式分为： 单极性控制: 任一时刻载波与调制波的极性相同，在任意半个周期SPWM波单方向变化 ；正半周：ur uc时，有脉冲；ur uc时，无脉冲。副半周： ur uc时，有脉冲；ur uc时

13、，无脉冲。,第六章：变频器内部结构,2)双极性控制：载波双方向变化，在任意半个周期SPWM波双方向变化； ur uc时，正脉冲； ur uc时，负脉冲,第六章：变频器内部结构,3)三相逆变波形 加在6只逆变管上的信号都为开关信号，6只逆变管就相当于6个开关，管子导通相当于开关闭合，截止时相当于开关断开。,第六章：变频器内部结构,第六章：变频器内部结构,第六章：变频器内部结构,常用电力电子器件的类型 1.按器件能够被控制电路信号所控制的程度分 1）不可控器件 不可控器件不能用控制信号来控制其通断。如电力二极管（Power Diode），器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定。,第六章：

14、变频器内部结构,第六章：变频器内部结构,1）二极管 二极管是单向导电器件，加正向电压，导通，相当开关闭合；加反向电压，截止，相当于开关断开,2）半控型器件 半控型器件通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。如晶闸管Thyristor及其大部分派生器件，器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定。 3）全控型器件 全控型器件通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。如绝缘栅双极晶体管IGBT、功率、门极可关断晶闸管GTO等。,第六章：变频器内部结构,2.按驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质分 1）电流驱动型 通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。常

15、见的有普通晶闸管、门极可关断晶闸管GTO等。,第六章：变频器内部结构,2）电压驱动型 通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号来实现导通或者关断的控制。电压驱动型器件实际上是通过加在控制端上的电压在器件的两个主电路端子之间产生可控的电场来改变流过器件的电流大小和通断状态，所以又称为场控器件或场效应器件。常见的有功率场效应晶体管MOSFET、绝缘栅双极晶体管IGBT等,第六章：变频器内部结构,3.按器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分 1）单极型器件 只有一种载流子参与导电的器件，常见的单极型器件有功率场效应晶体管MOSFET和静电感应晶体管SIT。 2）双极型器件 由电子和空穴两种载

16、流子参与导电的器件，常见的双极型器件有晶闸管（包括普通晶闸管SCR、双向晶闸管TRIAC、逆导晶闸管RCT、非对称晶闸管ASCR、功率晶体管GTR、门极可关断晶闸管GTO、静电感应晶闸管SITH。,3）复合型器件 由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件，一般是以普通晶闸管、GTR或GTO为主导元件，以MOSFET为控制元件复合而成的。常见的复合型器件有绝缘栅型双极型晶体管IGBT、MOS控制晶闸管MCT以及功率集成电路。,第六章：变频器内部结构,图6-1 电力电子器件分类树,第六章：变频器内部结构,1.晶闸管的结构 晶闸管的外形、内部结构和电气图形符号，如图6-2所示。,图6-2 晶闸管的外形、内部结构和电气图形符号,第六章：变频器内部结构,2.晶闸管的工作原理 为了说明晶闸管的导电原理，可按如下图所示的电路做一个简单的实验。,3.晶闸管的导通条件 从上述实验可以看出，晶闸管导通必须同时具备两个条件： （1）晶闸管阳极电路加适当的正向电压； （2）门极电路加适当的正向电压（实际工作中，门极