变频器学习资料

三、 能耗制动电路 1、 电压型变频器典型主电路（如图 1-10） 该变频器中间直流回路上有能耗制动电路由变频器内部控制制动的 IGBT 和外接制动电阻 DBR 组成，制动 电阻接于变频器 PTB 端子上，如图 变工作波形 2、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。 3、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 1-11 所示。 制动电阻 RB 的作用是消耗掉直流电路 中多余的回馈电能， 使中间直流回路电压保 持平稳，防止变流器件损坏。一些变频器此 电阻是外接的。 （外接端子如 DB＋，DB－） 。 制动单元 VB 的功能是控制放电回路的 工作。一般由 GTR 或 IGBT 及其驱动电路构 成。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，VB 将可靠截止，以避免不必 要的能量损失。 图 1- 11 电压型三相桥式逆变工作波形 4、制动电阻的介绍 制动电阻是用于将电动机的再生能量以热能方式消耗的载体，它包括电阻阻值和功率容量两个重要的 参数。通常在工程上选用较多的是波纹电阻和铝合金电阻两种：波纹电阻采用表面立式波纹有利于散热减 低寄生电感量，并选用高阻燃无机涂层，有效保护电阻丝不被老化，延长使用寿命。铝合金电阻易紧密安 装、易附加散热器，外型美观，高散热性的铝合金外盒全包封结构，具有极强的耐振性，耐气候性和长期 稳定性；体积小、功率大，安装方便稳固，外形美观，广泛应用于高度恶劣工业环境使用。
2、滤波及限流电路 （1）滤波电路 虽然利用整流电路可以将交流电变换成直流电，但是在三相电路中这种直流电压或电流含有频率为 电源频率 6 倍的电压或电流纹波。此外，变频器逆变电 路也将因输出和载波频率等原因而产生纹波电压或电 流，并反过来影响直流电压或电流的品质。因此，为了 保证逆变电路和控制电路能够得到高质量的直流电压或 电流，必须对直流电压或电流进行滤波，以减少电压或 电流的脉动。电压型变频器直流环节并入电容对整流电 路的输出进行滤波，理论上电容值越大，电压纹波越小， 但是从空间和成本上考虑并不能如此。 三相输入及整流滤波后的电压波形如右图 1-4。 图 1-4 中，Ua、Ub、Uc 是三相三线制的三相输入相 电压； uc 是电容电压， ur 是整流之后未加电容时的电压。 图 1- 4 三相桥式整流电路的电压波形图 图 1-5 中的滤波电路由滤波电容 CP1、 CN1 及均压电阻 RP1 和 RN1 组成。 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 CP1 和 CN1 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 CP1 和 CN1 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 CP1 和 CN1 旁 图 1- 5 三相桥式整流电路的电压波形图 备并联一个阻值相等的均压电阻 RP1 和 RN1。 滤波电路常见的故障有：1）滤波电容老化。其容量低于额定值的 85%、致使变频器运行时，输出电压 低于正常值。2）滤波电容开路，导致变频器运行时输出电压低于正常值。漏电严重或短路，会导致另一 只滤波电容损坏。进而可能损坏限流电路中的接触器触头、限流电阻、甚至整流模块。3）匀压电阻损坏， 会由于两个电容受压不均而逐个因超压而损坏。 作为滤波电容器使用的电容器，其静电容量随着时间的推移而缓缓减少，定期地测量静电容量，以达 到产品额定容量的 85%时为基准来判断寿命。 （2）限流电路， 图 1-5 中， 串接在整流桥和滤波电容器之间， 由限流电阻 72R 和 CMC 接触器短路触头组成的并联电路。 限流电阻 72R 的作用是：变频器在接入电源之前，滤波电容 CP1 和 CN1 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 72R 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。 接触器 CMC 短路触头的作用是：限流电阻 72R 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，令短路触头接通，将 72R 从电路中切除。在有些变频器 中短接电路由晶闸管构成，也有些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。 4、逆变电路 逆变电路的作用是在控制电路的作用下，将直流电路输出的直流电源转换成频率和电压都可以任意调 节的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出，所以逆变电路是变频器的核心电路之一，起着非常重 要的作用。 最常见的逆变电路结构形式是利用六个功率开关器件 （GTR、 IGBT、 GTO 等） 组成的三相桥式逆变电路， 有规律的控制逆变器中功率开关器件的导通与关断，可以得到任意频率的三相交流输出。逆变桥电路由图 1-6 中的开关器件 T1～T6 构成。目前中小容量的变频器中，开关器件大部分使用 IGBT 管。
图 1- 6 电压型三相桥式逆变电路 工作原理： 电压型三相桥式逆变电路的基本工 作方式为 180 °导电型，即每个桥臂的导电角为 180°， 同一相上下桥臂交替导电的纵向换流方式， 各相开始导电的时间依次相差 120°。在一个周期 内，6 个开关管触发导通的次序为 T1→T2→T3→T4 →T5→T6，依次相隔 60°，任一时刻均有三个管 子同时导通，导通的组合顺序为 T1 T2T3，T2T3T4， T3 T4 T5，T4 T5T6，T5T6 T1，T6 T2T1，每种组合工 作 60°。 2、各相负载相电压和线电压波形： 将一个工作周期分成 6 个区域。在 0<ωt≤π /3 区域， 设 Ug1>0, Ug2>0, Ug3>0， 则有 T1 T2T3 导通，
变频器主电路工作原理
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。
图 1-1 电阻负载三相桥式整流电路 1 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、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。 P iO T 图 1-2 是一个三相桥式整流电路，它有六个二极管，D1、 uA u 2 D1 D3 D5 D3、D5 接成共阴极形式，共阴极用 P 表示；D2、D4、D6 接成 A uB B 共阳极形式，共阳极用 M 表示；零线用 N 表示。 u O RL uC 三相桥式整流电路二极管导电规律的基本原则是二极管 C N 的阳极电位高于阴极电位时二极管导电，反之不导电。在图 D2 D4 D6 M 1-3 中根据各相波形相交的情况，按 30为一段进行时间段的 划分，在图的最下方用 1、2、3、4、5、6、7、…表示。 图 1-2 三相桥式整流电路 u 三相整流电路的工作原理 2 A B C 时间段 1：此时间段 A 相电位最高，B 相电位最低，因此跨接 在 A 相 B 相间的二极管 D1、D4 导电。电流从 A 相流出，经 O ωt D1，负载电阻，D4，回到 B 相，见图 1-2 中红色箭头指示的 路径。此段时间内其他四个二极管均承受反向电压而截止，因 uO D4 导通，B 相电压最低，且加到 D2、D6 的阳极，故 D2、D6 1 1 3 3 55 1 1 3 3 5 5 导电二极管编号 截止； ，因 D1 导通，A 相电压最高，且加到 D3、D5 的阴极， 4 662 24 4 6 62 2 4 故 D3、D5 截止。其余各段情况如下： 时间段 2：此时间段 A 相电位最高，C 相电位最低，因此跨接 O ωt 1 234 56 7 8 9 在 A 相 C 相间的二极管 D1、D6 导电。 时间段 3：此时间段 B 相电位最高，C 相电位最低，因此跨接 图 1-3 三相桥式整流电路的波形图 在 A 相 C 相间的二极管 D3、D6 导电。 时间段 4：此时间段 B 相电位最高，A 相电位最低，因此跨接在 B 相 A 相间的二极管 D3、D2 导电。 时间段 5：此时间段 C 相电位最高，A 相电位最低，因此跨接在 C 相 A 相间的二极管 D5、D2 导电。 时间段 6：此时间段 C 相电位最高，B 相电位最低，因此跨接在 C 相 B 相间的二极管 D5、D5 导电。 时间段 7： 此时间段又变成 A 相电位最高， B 相电位最低， 因此跨接在 A 相 B 相间的二极管 D1、 D4 导电。
u ab 0 线电压 u bc U d u U d ca
1 u aN 3 U d 1 相电压 u bN U d 3 u 2 U d cN 3
图 1- 7 电压型三相桥式逆变工作波形
式中 Ud 为逆变器输入直流电压。根据同样的思路可得其余 5 个时域的值。
2、续流电路 由图 1-7 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 1-8 所示是比较典型的一 图 1- 7 电压型三相桥式逆变工作波形 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 图 1- 8 电压型三相桥式逆变工作波形 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。 3）二极管 VD01～VD06 R01～R06 的接入，又会影响到 C01～C06 在 V1～V6 关断时减小电压增长率的效果。VD01～VD06 接入 后，在 V1～V6 关断过程中，使 R01～R06 不起作用；而在 V1～V6 接通过程中，又迫使 C01～C06 的放电电 流流经 R01～R06。 图 1-9 所示几种用于 IGBT 桥臂的典型缓冲电路： A）图是最简单的单电容电路，适用于 50A 以下的 小容量 IGBT 模块，由于电路无阻尼组件，易产生 LC 振荡，故应选择无感电容或串入阻尼电阻 RS。 B） 图是将 RCD 缓冲电路用于双桥臂的 IGBT 模块上， 适用于 200A 一下中等容量 IGBT。 C）图中，将两个 RCD 缓冲电路分别用在两个桥臂 上，该电路将电容上过冲的能量部分送回电源，因 此损耗较小， 广泛应用于 200A 以上的大容量 IGBT。 图 1- 9 电压型三相桥式逆变工作波形