(完整版)《变频器内部结构》

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：
①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，无脉冲。
第六章：变频器内部结构
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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。
6.1.1主电路 整流电路、起动保护、滤波电路、逆变电路 、指示电路 、制动单元 、
输入端子、 输出端子。
变频器内部结构
• 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。
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： •
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。
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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。常见的有普通晶闸管、门极可关断 晶闸管GTO等。
• （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R01R06不起作用。
• 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。
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2 滤波及限流电路 （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。
• 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
• 逆变颠覆限制
通过设置控制 电压限幅值， 来限制最大触 发角。
O
相控整流器的电压控制曲线
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图6-1 电力电子器件分类树
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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
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。
0.9U2 cos
三相半波 2U 2 3
1.17U2 cos
三相全波 6U 2 6
2.34U2 cos
六相半波 2U 2 6
1.35U2 cos
* U2 是整流变压器二次侧额定相电压的有效值。
• 整流与逆变状态
• 当 0 < < /2 时，Ud0 > 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；
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• （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，将容易导致逆变管的损 坏。C01--C06的功能便是减小V1-V6在关断时的电压增长 率
变频器原理应用维修
（内部资料
注意保存）
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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。
变频器内部结构
• 变频器结构框图
变频器内部结构
变频器内部结构
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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
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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。
1、 全波整流电路 • 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。
整流电路 Um m Ud0
单相全波 2U 2 * 2
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
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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。
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• 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
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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。
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（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。
• 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。
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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.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
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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
GTO、静电感应晶闸管SITH。
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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。
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• 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。
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。
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。
变频器内部结构（补充）
• 1.整流电路
• VD1—VD6整流二极管，c1、c2，滤波电容，RL，限流电阻。
变频器内部结构
②脉宽调制波SPWM：将一个正弦波电压分为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
• 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。
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。
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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。
①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