变频器的内部结构

浅析交-直-交电压型变频器的内部结构

摘要：本文主要介绍了交-直-交电压型变频器的整流单元、滤波单元、逆变单元、制动单元、驱动单元、检测单元、控制单元的主要形式，以及主要的几种控制方法及PWM技术在变频器中的应用。

关键词：交-直-交电压型变频器 IGBT 栅极驱动电流检测霍尔传感器矢量控制 PMW

0、引言

交流变频调速技术发展至今已有几十年的历史。低压变频器构成的交流调速系统，因其技术上的不断创新，使系统在性能上不断地完善，并在电气传动领域挑战直流调速系统，已得到了广泛的应用。交-直-交电压型变频器是目前市场上低压变频器的主要形式，本文简要对该变频器内部结构进行剖析。

1、电路结构框图

交直交电压型变频器主要由整流单元（交流变直流）、滤波单元、逆变单元（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元、控制单元等部分组成的。

图1 变频器电路结构框图

3、各单元电路及原理

3.1 整流单元

整流单元用于电网的三相交流电变成直流。可分为可控整流和不可控整流两大类。可控整流由于存在输出电压含有较多的谐波、输入功率因数低、控制部分复杂、中间直流大电容造成的调压惯性大相应缓慢等缺点，随着PMW技术的出现可控整流在交直交变频器中已经被淘汰。不可控整流是目前交直交变频器的主流形式，它有2种构成形式，6支整流二极管或6支晶闸管组成三相整流桥。

图2 6支二极管构成的三相桥式整流电路

由6支二极管构成的三相桥式整流电路，交流侧有控制主回路通断的接触器。

图3 6支晶闸管构成的三相桥式整流电路

由6支晶闸管构成的三相桥式整流电路，晶闸管只用于控制通断不控制直流电压的大小。

3.2 滤波单元

滤波单元主要采用大电容滤波，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一种内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，这是电压型变频器的一个主要特征。

3.3 逆变单元由IGBT模块构成

图3 由IGBT模块构成的逆变单元及实物IGBT模块中内置反并联二极管，用于反馈电动机制动运行时产生的能量

图4 IGBT模块中内置反并联二极管

3.4 制动单元

制动单元由IGBT和能耗电阻组成。当电动机由电动状态转入制动运行时，电动机变为

发电状态，其能量通过逆变电路中的反馈二极管流入直流中间回路，使直流电压升高而产生过电压，这种过电压称为泵升电压。为了限制泵升电压给直流侧电容并联一个由电力晶体管和能耗电阻组成的泵升电压限制电路。当泵升电压超过一定数值时，使IGBT导通，把电动机反馈的能量消耗在电阻上。

3.5 驱动单元

驱动单元根据控制单元的指令对IGBT进行驱动。 IGBT栅极驱动电路有多种形式。按照驱动电路元件的组成可分为分立元件组成的驱动电路和集成化的驱动电路。

图5 IGBT驱动电路

上图为用光耦合器、三极管等分立元器件构成的IGBT驱动电路。当输入控制信号时，光耦VLC导通，晶体管V2截止，V3导通输出＋15V驱动电压。当输入控制信号为零时，VLC 截止，V2、V4导通，输出－10V电压。

IGBT的集成栅极驱动器种类繁多,几乎各生产IGBT模块的公司都推出了自己的配套驱动器。

图6 集成电路TLP250构成的驱动器及TLP250的管脚图

上图为由集成电路TLP250构成的驱动器及TLP250的管脚图。TLP250内置光耦的隔离电压可达2500V，上升和下降时间均小于0.5μs，输出电流达0.5A，可直接驱动50A/1200V 以内的IGBT。外加推挽放大晶体管后，可驱动电流容量更大的IGBT。TLP250构成的驱动器体积小，价格便宜，是不带过流保护的IGBT驱动器中较理想的选

下图为由EXB8..Series集成芯片构成的驱动电路，EXB8..Series集成芯片是一种专用于IGBT的集驱动、保护等功能于一体的复合集成电路。广泛用于逆变器和电机驱动用变频器、伺服电机驱动、UPS、感应加热和电焊设备等工业领域。

图7 EXB8..Series集成芯片构成的驱动电路

3.6 检测单元

控制系统反馈量检测的精确程度，从某种意义上说，很大程度上决定了控制系统所能达到的控制品质。检测电路是变频调速系统的重要组成部分，它相当于系统的“眼睛和触觉”。检测与保护电路设计的合理与否，直接关系到系统运行的可靠性和控制精度。

3.6.1 电流检测方法

电流信号检测的结果可以用于变频器转矩和电流控制以及过流保护信号。电流信号的检测主要有以下几种方法。

（1）直接串联取样电阻法

这种方法简单、可靠、不失真、速度快，但是有损耗，不隔离，只适用于小电流并不需要隔离的情况，多用于只有几个kVA的小容量变频器中。

（2）电流互感器法

这种方法损耗小，与主电路隔离，使用方便、灵活、便宜，但线性度较低，工作频带窄(主要用来测工频)，且有一定滞后，多用于高压大电流的场合。

2010年01月28日作者：杨喆田志明来源：《中国电源博览》第107期编

辑：李远芳

图8 电流互感器

上图中，R为取样电阻，取样信号为:

Us=I2R=I1R/M

式中，M为互感器绕组匝数。

（3）霍尔传感器法

它具有精度高、线性好、频带宽、响应快、过载能力强和不损失测量电路能量等优点。其原理如下图所示。

图9 霍尔传感器原理图

上图中，Ip为被测电流，这是一种磁场平衡测量方式，精度比较高，若LEM的变流比为1:M，则取得电压Us也符合式Us= IpR/M。在通用变频器中霍尔传感器已成为电流检测的主力。

3.6.2 电压检测方法

电压信号检测的结果可以用于变频器输出转矩和电压控制以及过压、欠压保护信号。电压信号的检测可用电阻分压、线性光耦、电压互感器或霍尔传感器等方法。

（1）电阻分压法:用电阻网络将高压进行分压，得到按比例缩小的低电压。该方法使用简单，但其精度受外界环境(主要是温度)影响较大，且不能实现隔离，如果作为模拟反馈量进行A/D转换，需要加入隔离放大器。该方法适用于低压系统。

（2）电压互感器法:与电流互感器类似，只能用于检测交流电压，适用于高压系统中。

（3）霍尔电压传感器法:原理与霍尔电流传感器类似，如下图所示。