变频器主电路工作原理

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word格式.整理版 小孙学变频——第一讲 变频器的主电路

小孙是蓝天公司的电气工程师，多年来从事电子设备的维修工作。近几年来，各种设备里应用的变频器越来越多，小孙被安排来专门从事变频器的调试和维护。

这一天，小孙从仓库里领出了一台变频器，打算配用到鼓风机上。按照规定，先通电测试一下。谁知一通电，就发现冒烟，立刻切断了电源。把盖打开后，发现有一个电阻很烫。小孙想，在开盖情况下再通电观察一次。这一回，电阻倒是不冒烟了，但不一会儿，变频器便因“欠压”而跳闸了。用万用表一量，那个电阻已经烧断了。

经人介绍，小孙找到了一位退休老高工张老师。

“你们那台变频器在仓库里存放了多长时间？”听完了小孙的情况介绍后，张老师问。

“大约一年多一点。”

“我知道了。”张老师胸有成竹地说。“在分析电阻冒烟的原因之前，先要弄清楚变频器里整流滤波电路的特点。”

“老师，我不大明白，变频器的中间为什么要加进一个直流电路呢？”

“好吧，那我们就先从交－直－交变频器的基本结构讲起。”张老师拿了一张纸，不紧不慢地画出了交－直－交变频器的框图，如图1－1所示，然后说：

“你瞧，电网的电压和频率是固定的。在我国，低压电网的电压和频率统一为380v、50hz，是不能变的。要想得到电压和频率都能调节的电源，必须自己‘变出来’，才便于控制。所谓‘变出来’，当然不可能象变魔术那样凭空产生出来，而只能从另一种能源变过来。这‘另一种能源’，便是直流电。

因此，交－直－交变频器的工作可分为两个基本过程：

（1）交－直变换过程

就是先把不可调的电网的三相(或单相)交流电经整流桥整流成直流电。

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word格式.整理版 （2）直－交变换过程

就是反过来又把直流电 “逆变”成电压和频率都任意可调的三相交流电。

通用变频器综合设计

1、设计一个采用二极管整流桥和IGBT的交-直-交电压型变频器主电路，并选择主要元器件的参数。

输入电压范围： 380~480V（正负10%），输出功率11kw（当输出电压为380V时），功率因数75.0cos，采用三相SVM PWM，fs=1~15kHz。

（1）选择整流桥和IGBT（EUPEC或三菱均可），根据三菱或EUPEC网站上的程序，计算整流桥和IGBT模块的结温、使用寿命：计算做热Ta=40oC的Rthc-a，选择自冷或风冷情况下的变频器的散热器。

（2）Udmax=800V，选择电解电容的耐压和容量，计算电解电容的寿命，自己查资料，如EPCOS、CDE（无感电容）、BHC等。

2、设计上述变频器的保护方案（原理框图，各环节的设计依据，电路框图，主要参数）

（1）选择三个输出交流侧霍尔电流传感器的过电流、过载保护方案，设计相应的保护电路（HL传感器，电流放大滤波通道，A/D转换参考电压为5V）。

（2）设计IGBT直通保护和输出短路保护（相间，对地），可选择用带保护的驱动IC实现。

（3）直流侧的电阻能耗制动电路，给出一种软件或硬件控制方案。（制动点的选择）

（4）直流侧过电压保护的硬件电路

根据题目要求，本系统主电路可用三相二极管不可控桥式整流电路、中间直流环节和三相IGBT桥式逆变电路三部分组成，实现交-直-交电压型变频器的功能，其拓扑结构如图1所示。

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图 1 交—直—交电压型变频器拓扑结构

AC-DC-AC主电路主要包括：整流电路、滤波电路、制动电路以及逆变电路。整流侧采用三相不可控二极管整流桥将交流电整流为直流电，这样功率因数接近于1。由于不控整流出来的电压是脉动的，需要经过滤波电路后供给逆变电路，所以直流侧电容起稳压和滤波的作用。因为考虑到电动机的回馈能量，防止直流侧电压升高，加入能耗制动电路，逆变桥采用三相桥式结构。图中，在直流侧电容前接入了一个与限流电阻相并联的开关，这是由于电容的电容量很大，当合闸突加电压时电容相当于短路，将产生很大的充电电流可能会损坏整流二极管，为了限制充电电流，可以采用限流电阻和延时开关组成的预充电电路对电容进行充电，当电源合闸后延时开关延时数秒，此时通过电阻对电容充电，当电容电压升高到一定值后，闭合开关将限流电阻短路，避免正常运行时的附加损耗。

变频器控制电路的工作原理？各国使用的交流供电电源，无论是用于家庭还是用于工厂，其电压和频率均200V/60Hz（50Hz）或100V/60Hz（50Hz），等等。通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电（DC）。把直流电（DC）变换为交流电（AC）的装置，其科学术语为“inverter”(逆变器)。由于变频器设备中产生变化的电压或频率的主要装置叫“inverter”，故该产品本身就被命名为“inverter”，即：变频器，变频器也可用于家电产品。使用变频器的家电产品中不仅有电机（例如空调等），还有荧光灯等产品。用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。但用于荧光灯的变频器主要用于调节电源供电的频率。汽车上使用的由电池（直流电）产生交流电的设备也以“inverter”的名称进行出售。变频器的工作原理被广泛应用于各个领域。例如计算机电源的供电，在该项应用中，变频器用于抑制反向电压、频率的波动及电源的瞬间断电。

2. 电机的旋转速度为什么能够自由地改变？

r/min电机旋转速度单位：每分钟旋转次数，也可表示为rpm.例如：4极电机 60Hz 1,800 [r/min]，4极电机 50Hz 1,500

[r/min]，电机的旋转速度同频率成比例。

本文中所指的电机为感应式交流电机，在工业领域所使用的大部分电机均为此类型电机。感应式交流电机（以后简称为电机）的旋转速度近似地确决于电机的极数和频率。由电机的工作原理决定电机的极数是固定不变的。由于该极数值不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以不适和改变该值来调整电机的速度。另外，频率是电机供电电源的电信号，所以该值能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。因此，以控制频率为目的的变频器，是做为电机调速设备的优选设备。n = 60f/p，n: 同步速度，f: 电源频率 ，p: 电机极数，改变频率和电压是最优的电机控制方法 。如果仅改变频率，电机将被烧坏。特别是当频率降低时，该问题就非常突出。为了防止电机烧毁事故的发生，变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压，例如：为了使电机的旋转速度减半，变频器的输出频率必须从60Hz改变到30Hz，这时变频器的输出电压就必须从200V改变到约100V。例如：为了使电机的旋转速度减半，变频器的输出频率必须从60Hz改变到

在分析变频器的故障时，有时如果知道变频器的电路原理，可以能更好地分析故障发生的原因。

主电路如图1所示：

一、交－直变换部分

1、VD1～VD6组成三相整流桥，将交流变换为直流。

如三相线电压为UL，则整流后的直流电压UD为：

UD＝1.35UL

2、滤波电容器CF作用：

（1）滤除全波整流后的电压纹波；

（2）当负载变化时，使直流电压保持平衡。

因为受电容量和耐压的限制，滤波电路通常由若干个电容器并联成一组，又由两个电容器组串联而成。如图中的CF1和CF2。由于两组电容特性不可能完全相同，在每组电容组上并联一个阻值相等的分压电阻RC1和RC2。

3、限流电阻RL和开关SL

RL作用：变频器刚合上闸瞬间冲击电流比较大，其作用就是在合上闸后的一段时间内，电流流经RL，限制冲击电流，将电容CF的充电电流限制在一定范围内。

SL作用：当CF充电到一定电压，SL闭合，将RL短路。一些变频器使用晶闸管代替（如虚线所示）。

4、电源指示HL作用：除作为变频器通电指示外，还作为变频器断电后，变频器是否有电的指示（灯灭后才能进行拆线等操作）。

二、能耗电路部分

1、制动电阻RB 变频器在频率下降的过程中，将处于再生制动状态，回馈的电能将存贮在电容CF中，使直流电压不断上升，甚至达到十分危险的程度。RB的作用就是将这部分回馈能量消耗掉。一些变频器此电阻是外接的，都有外接端子（如DB＋，DB－）。

2、制动单元VB 由GTR或IGBT及其驱动电路构成。其作用是为放电电流IB流经RB提供通路。

三、直－交变换部分

1、逆变管V1～V6

组成逆变桥，把VD1～VD6整流的直流电逆变为交流电。这是变频器的核心部分。常用的逆变管见：《变频器常用的逆变管》。

2、续流二极管VD7～VD12

作用：（1）电机是感性负载，其电流中有无功分量，为无功电流返回直流电源提供“通道”；