变频器内部主电路详解_技术

变频器不同系列交-直-交内部的主电路基本相同，在应用变频调速时，产生的许多现象都可以通过主体电路来进行分析。所以，熟悉变频器主电路的结构及工作原理显得十分必要。

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。

1、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。

2、滤波及限流电路

（1）滤波电路，即图中的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。因为电解电容器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，使承受电压较高一侧的电容器组容易损坏。

为了使UD1和UD2相等，在CF1和CF2旁备并联一个阻值相等的均压电阻RC1和RC2。

（2）限流电路，即图中，串接在整流桥和滤波电容器之间，由限流电阻RL和短路开关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整流桥流向滤波电容，使整流桥可能因此而爱到损坏。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和滤波电容之间的。

短路开关SL的作用是：限流电阻RL如常期接在电路内，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，也常由接解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，即在变频繁器切断电源后，表示滤波电容器CF上的电荷是否已经释放完毕。

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也具有提示保护的作用。

二、直交变换

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，其工作原理在绪论中已经说明。

逆变桥电路由图中的开关器件V1～VD6构成。目前中小容量的变频器中，开关器件大部分使用IGBT管。

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、缓冲电路（R01～R06、C01～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，图2-27所示是比较典型的一种。各元件的功能如下：

（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，将容易导致逆变管损坏。C01～C06的功能便是减小V1～V6在关断时的电压增长率。

（2）电阻R01～R06。V1～V6每次由截止状态转换为导通状态时，C01～C06上所充的电压（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的关断过程中，使R01～R06不起作用。

三、能耗制动电路

1、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。当同步转速低于转子转速时，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π（180°），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。

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。

制动电阻RB用于消耗掉直流电路中的多余电能，使直流电压保持平稳。

制动单元BV的功能是控制放电回路的工作。具体地说，当真流回路的电压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，VB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，如图1所示。

（图1）变频器主电路图

变频器内部主电路详解

1、内部主电路结构

采用“交-直-交”结构的低压变频器，其内部主电路由整流和逆变两大部分组成，如图1所示。从R、S、T端输入的三相交流电，经三相整流桥（由二极管D1～D6构成）整流成直流电，电压为UD。电容器C1和C2是滤波电容器。6个IGBT管（绝缘栅双极性晶体管）V1～V6构成三相逆变桥，把直流电逆变成频率和电压任意可调的三相交流电。

图1 变频器内部主电路

2、均压电阻和限流电阻

图1中，滤波电容器C1和C2两端各并联了一个电阻，是为了使两只电容器上的电压基本相等，防止电容器在工作中损坏（目前，由于技术的进步，低压（380V）变频器的电解电容大多数可以不需要串联使用了）。

在整流桥和滤波电容器之间接有一个电阻R和一对接触器触点KM，其缘由是：变频器刚接通电源时，滤波电容器上的电压为0V，而电源电压为380V时的整流电压峰值是537V，这样在接通电源的瞬间将有很大的充电冲击电流，有可能损坏整流二极管；另外，端电压为0的滤波电容器会使整流电压瞬间降低至0V，形成对电源网络的干扰。

为了解决上述问题，在整流桥和滤波电容器之间接入一个限流电阻R，可将滤波电容器的充电电流限制在一个允许范围内。但是，如果限流电阻R始终接在电路内，其电压降将影响变频器的输出电压，也会降低变频器的电能转换效率，因此，滤波电容器充电完毕后，由接触器KM将限流电阻R短接，使之退出运行。

3、主电路的对外连接端子

各种变频器主电路的对外连接端子大致相同，如图2所示。其中，R、S、T是变频器的电源端子，接至交流三相电源；U、V、W为变频器的输出端子，接至电动机；P+是整流桥输出的+端，出厂时P+端与P端之间用一块截面积足够大的铜片短接，当需要接入直流电抗器DL时，拆去铜片，将DL接在P+和P之间；P、N是滤波后直流电路的+、-端子，可以连接制动单元和制动电阻；PE是接地端子。