变频器的组成及其设计

作
用
运行指令 频率指令
逆变电路
电流
检测
UVW
电压检测
检测电路 ·电流检测·电压检测 ·速度检测
保护电路 ·变频器保护 ·电动机保护 ·驱动系统保护 操作·显示电路 ·运行操作·参数设置 ·运行状态显示·故障显示
运行操作
图4-2 电压型通用变频器控制电路的功能框图
电动机
速度 传感器
主控制电路
主控制电路的核心是一 个高性能的微处理器，并配 以EPROM、RAM、ASIC 芯片和其它必要的辅助电路。 主控制电路的硬件相当于变 频器的“大脑”，控制策略 和软件则相当于变频器的 “灵魂”。
•保护电路（ 3 ）
过电压保护 若变频器直流侧电压超过一定值，有可能 击穿滤波电容或电力半导体器件，严重时甚 至可能殃及变频器周围设备和操作人员。过 电压保护和过电流保护有相似之处，需要根 据过电压的程度分别处理。
当减速时间设置过短时，容易发生过电压 保护，可以适当延长制动时间避免大惯量负 载制动时可能出现的过电压。
4 变频器的组成及其设计
本章提要 交-直-交PWM变频器的基本结构及作用
变频器常用电力电子开关器件 开关管缓冲电路设计 变频器设计方法 变频器散热系统设计
4.1 交-直-交PWM变频器的基本结构 及作用
变频器的类型也很多，其内部结构也 各有不同。本节将以电压型通用变频器为 例，介绍一下变频器的基本结构以及各部 分的功能和作用。
制动电路
小容量（0.57-13kVA）变频器；一般内装制动 单元和制动电阻。如果内装制动电阻的热容量 不够，则需要再外加制动电阻。 ▪ 容量大于18kVA的变频器：不再内装制动单元
和制动电阻，需要时必须外接制动单元和制动 电阻，利用电阻和开关器件组成放电回路。
对于大、中容量的电压型变频器来说，为了节 约能源，一般采用能量回馈有源逆变装置将能量 馈还给供电电源。
如Fuji公司的FRN110G11-4CE型变频器的滤波 回路由六只400V/1000μF电解电容三三并联后 再串联组成。
逆变电路
逆变部分可采用SCR、GTR、GTO、MOSFET、 IGBT、IPM、IGCT等器件。
缓冲电路：与逆变电路的功率开关元件并联，用以吸收元件关断时的关断 浪涌电压。缓冲电路一般由电阻、电容、二极管组成。
第四章 变频器的组成及其设计
▪ 山东大学 控制科学与工程学院
引 言
变频器的设计是一个综合运用多学科知 识、解决系统性能指标及可靠性问题的过程， 涉及的知识面较广。其设计理论涉及电机学、 计算机技术、测试技术、数字电路、电力电 子技术、自动控制理论、检测技术、热力学、 机械结构设计等多个学科。因此它的设计也 是一个复杂的系统工程问题。
小功率（10kVA以下）变频器的整流电路
阻容吸收电路，用通 kV常A作的只过变用频一压器个保通六常护单用元，三整吸个流两模收单块操元组作二成极，过管几模十块 电压和浪涌电压。组成整流电路，上百kVA的变频器通常用多
组两单元二极管模块并联组成电路。如Fuji 公司生产的FRN110G11-4CE型160kVA变 频器整流电路由九个两单元二极管模块
快速熔断器，它只能直接保护由二极管或晶闸管组成的整流模块，而对由 MOSFET或IGBT等全控型器件组成的逆变电路没有直接保护作用。
制动电路
变频调速异步电动机的制动控制：可以通 过降低变频器输出频率来降低电动机的同步转 速，达到使电动机减速的目的。
在电动机的减速过程中，由于同步转速往 往会低于电动机的实际转速，这时异步电动机 便成为异步发电机，负载机械和电动机所具有 的机械能量被馈还给电动机，并在电动机中产 生制动力矩。
•保护电路（ 2 ）
➢对地短路保护
当检测出变频器输出电路对地短路（如电机绕组绝缘受损），并且短路电流 超过变频器额定输出电流的50％时，该保护功能将起作用，停止变频器的输 出。
➢过载保护（电子热继电器）
与瞬时过电流保护是两个相关而又完全不同的概念 。过载保护是逆 变器输出电流超过额定值且维持流通达规定的时间，即“时间长，过 电流幅值小”，体现发热的概念；过电流保护是“瞬间电流幅值大”， 体现过电流峰值而没有时间的概念。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
•保护电路（ 4 ）
欠电压保护
当变频器的供电电压降低时，直流中间电 路的电压将会下降，从而使变频器输出电压过 低，并造成电动机输出转矩不足和过热。而欠 电压保护功能的作用就是，在检测到直流中间 电路的电压过低时使变频器停止工作。
•保护电路（ 5 ）
（6）散热器过热保护
热敏继电器将动作，使变频器停止工作或给出警报信号。
交流输入侧并联RDDC1阻00H容B1吸60收组成电，路每一（个星桥接臂由或三角个模 接）或并联集成压块并敏联电而成阻。抑制来自三相电网
的浪涌电压。
作用：
直流滤波电路
首先是对整流器输出电压滤波。
其次是吸收来自逆变电路由于元件换向或负 载变化等原因而产生的纹波电压和电流。
滤波元件：一般用大容量铝电解电容。
交-直-交PWM变频器都具有类似图41所示的基本结构。
• 通用变频器基本结构
一、变频器主电路的构成
变频器的主电路
整流电路 直流滤波电路
逆变电路 辅助电路
变频器的主电路是功率变换的执行机构， 相当于是负责承重和出力的“骨骼和肌肉”。
• 整流电路
在通用变频器中整流电路常常采用全桥式二极管 不控整流电路。
功能： 输入信号处理 加减速速率调节 电机控制运算 PWM波形的生成
变频器大部分都带有网络接口，具有与其他设备通信的能力。
•保护电路
▪ 保护电路是变频器安全可靠运行的“生命线”， 其主要作用是根据检测电路得到的各种信号来判 断变频器本身或系统是否异常。
➢瞬时过电流保护
变频器输出电流过大，有可能超过主电路开关 器件的容许值，变频器将关断开关器件并停止 输出。过电流保护的电流峰值通常设为变频器 额定电流的200%
二、
主电路
变
整流电路 R
FUSE
频 器 电源 RST 控
0
J C1
R1
C2
R2
制
滤波电路
电
控制电路
路
基极（门极）驱动电路
的
·电压、电流信号放大 ·绝缘·波形整形
基
本
主控制电路 ·输入信号处理
频率（速度）指令
构
运行/停止信号 ·加减速速率调节
成
·电动机控制运算 V/f，转差频率
及
转矩电流、励磁电流 ·PWM波形