变频器工作原理分析

变频器工作原理

1、直流母电路工作原理

图1

10KVA的小型变频器机型，采用了集成化功率模块作为主电路，模块将三相整流电路与三相逆变输出电路集成在一起，从而提升整机性能和安装面积，机型做得紧凑。三相380V 电源输入端子标有L1、L2、L3，三相输入端线-线之间并接有压敏电阻和与机器外壳相连的电容器件，经二极管全桥整流后经充电电阻，给直流电路的储能电容充电，至充电接触器KM闭合后给变压气的初级线圈供电。压敏电阻用以吸收电网侧的尖峰电压，保障输入整模块的安全。三只电容形成自然星点，使得外壳与输入电源之间不会积累过多电荷形成太高的电场强度。380V50Hz电压经过不控全桥整流后变成540V300Hz的脉动直流，并不是直接滤波电容上，而是先经过充电电阻对模块的外接电容进行充电，等电容上充到一定的幅值时，DSP控制继电器闭合，继电器接通将电阻短路，变频器进入待机状态。直流储能电容上并联电阻提供了在变频器停电后，对电容上所储存电荷的释放回路。直流储能电容一般容值比较大，而三相输入电压的幅值又比较高，机器上电瞬间储能电容形同短路，瞬时的电流是很

大的浪涌电流，不但有可能使三相整流电路严重过载而损坏，也因浪涌充电对电容的电极形成冲击而造成电容的损坏，还有可能使变频器外接三相电源开关因过载而跳脱而无法投入电源，故接入充电电阻以在上电的瞬时对储能电容充电缓冲。

D13和Q10构成直流制动的模块，在D13的阴极和Q10的射极即外接制动电阻的端子，当电压检测电路检测到异常高的电压时，开关管的基极就会受到制动控制信号，开关关接通，将外界制动电阻接到直流回路中，对电动机的反电再生能量进行消耗，以维持直流电流的电压值在允许值以内。三项逆变桥电路由六只IGBT构成，六个管子受到脉冲驱动电路来的六路PWM脉冲信号控制，有序地开通和关断，从而将直流电源逆变为频率可变的交流电源，上三臂IGBT的射极不是同电位点，故有六线的脉冲信号输入端子，下三臂IGBT的射极同电位，故三路脉冲有四线的脉冲输入端子就可以了。2、4、6引脚引出对桥臂之间的电压信号进行采样，防止逆变电路逆变管中出现损坏而是电路短路。三相变频电源逆变的输出端子标注U、V、W接电动机的三相电枢绕组，加电形成旋转磁场带动电机的转子进行旋转，输出机械功率。

2、开关电源工作原理

图2

开关变压器的初级震荡开关电路，主要由震荡芯片UC2844，开关管（场效应晶体管）及附属的元件构成，直流母电路的电压经变压器的初级绕组接入开关管的Q6的漏极经过电阻接地以形成工作电流的通路，同时经过电阻R34~R41等将电流信号引到UC3844的电流反馈引脚，电路起振后，开关管流过初级绕组的电流在变压器铁芯中产生感生磁场，在变压器电源的次级感应出电压，变压器7中产生的感应电压经过二极管半波整流以后连接到UC2844，给其电源VCC供电，提供UC2844电路的起振电流和电压，变压器6的输出电压通过光耦电路进行信号放大连接到UC2844的电压反馈端，UC2844的输出引脚输出PWM 波来驱动原边的MOSFET工作，形成单端正激电路的原边回路。在MOSFET的栅极和源记之间并联电阻和稳压管，防止在开关管截止时由于静电感应现象使开关管误导通。电阻、电容并联后和二极管串联反并于初级变压器的两端不仅构成了MOSFET关断时的磁复位通路，而且具有缓冲作用，软化了开关过程，降低了加在MOS管的浪涌电压，还减小了开关的损耗，在MOS管的GS极并联稳压管防止MOS管进入深度饱和，减小延迟，加速关断

过程。

在开关变压器的次级共形成了五路供电电源，次级变压器的8和9由同一个变压器经中心抽头，C37和C38为滤波的电解电容，其中电源V1的输出经过二极管整流后给上三臂驱动光耦的电源提供变压的原级电压以产生三路隔离的电源为上三管的触发信号的放大电路提供电压，电源V2经过稳压管输出给下三桥臂不需要隔离的三个开关管的光耦驱动电路以及逆变桥前一级的制动回路的Q12管的驱动电路的光耦供电还给UC2844供电，次级变压器的8、9也经过中心抽头为风扇驱动电路和霍尔元件供电，还有一路变压器独立供电给DSP 模块的开关电源中的原级变压器提供电压，在变压器的输出端都并上了一个电解电容进行滤波，以减小输出电压的脉动量。

3、开关管驱动电路（UC2844控制电路）

UC2844产生PWM波来控制开关电源中MOSFET的导通和截止，各引脚的功能为：11、12脚为电源的供电引脚，1为误差放大器的输出端，1、3之间为阻容反馈网络，与内部电路构成闭环调节器，3为误差放大器的反向输入引脚，该端接有输出电压回路来的反馈信号，5脚为电流检测比较器输入端，该端接电流或电压检测信号，以实现过流或过压保护，7脚为振荡定时元件接入端，14脚为基准电压输出端子，能够提供标准5V电压供振荡定时电路使用，10引脚为振荡定时电压输出端，经一外接电阻直接驱动电源开关管。

变压器次级产生的感应电压经过二极管半波整流以后连接到UC2844的11、12脚为本电路提供起振电压和电流，变压器原边五个采样电阻将电流信号转化为电压信号输入UC2844的电流反馈引脚，反馈电压的输入信号是来自变压器的一个绕组，经电阻接至3引脚，当驱动电压升高到一定值的时候会导致稳压管D35击穿，此信号会叠加在电流采样信号上，电路将实施限流与保护动作，UC2844的输出引脚的开关脉冲经电阻加到MOSFET 的栅极，提高了开关管的截至速度，电阻R100和R101为输出限压电路，以控制内部放大器的增益。

1脚与14脚之间有一个输出电压过冲抑制电路，即可以限制输出电压的幅值，由电阻R100、R101、R102、R104构成，工作期间若某种原因使工作电压过低时，经1、3内部放大器处理，1脚将输出过高的误差电压，由后级控制开关管的导通时间变长，输出电压幅值上升。当反馈电压升到一定幅值时，三极管导通，将使UC2844内部输出放大器的输出限幅，从而避免电压过冲。当3引脚输出电压过高双极性晶体管的射极电压高于14脚的基准电压时，晶体管导通，将3脚电压拉低，限制了开关管触发脉冲的占空比，从而将该输出电压限制在一定的幅值范围内。

UC2844输出PWM波控制单端正激电路中MOS管的开通和关断，副边变压器驱动光耦经三极管放大引入电压负反馈，由五个并联的贴片电阻引入开关管工作电流的反馈信号，两个信号的引入供内部电路控制输出激励脉冲的占空比，以适应负载变化造成的输出电压变化，负载调整率好，又由于贴片电阻上测得的电流峰值信号能够快速参与输出控制，所以能较灵敏地限制输出电流，对开关管的过流实施过流保护。

6.IGBT上三桥臂驱动电路电源

图6

IGBT由于上三个管子需要隔离的触发脉冲驱动才能工作，为此原边变压器与次级的三个变压器构成反激变换器，三个变压器互相隔离分别为不同的管子的光耦驱动电路进行供电，如图所示芯片HCF4047的各个管脚的功能如下：14、7管脚有电源提供电压为芯片工作电压，1和2管脚分别连接电阻电容通过3引脚连接在一起形成振荡电路，4、5、脚可输出相位相反的两个稳定的脉冲信号，6、8管脚可输出正负两个触发脉冲，13管脚可输出频率一定的振荡信号，11和10管脚分别输出反响的PWM 形用以控制四只互补的三极管工作，相当于反激变换器的开关管，通过调节电阻和电容的阻值和容值可以改变输出的PWM波形控制原边的占空比。当11管脚输出为高电平的时候，10管脚输出的为低电平此时，Q4和Q6管子导通变压器电压下正上负，当11管脚输出为低电平的时候10管脚输出的则为高电平，此时Q2和Q4管子导通，此时变压器输出电压为下正上负，在铁芯中就会感生形成磁