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第六章第六章 变频器内部结构变频器内部结构6.1 6.1 变频器的组成变频器的组成 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。第六章：变频器内部结构第六章：变频器内部结构变频器结构框图变频器结构框图第六章：变频器内部结构第六章：变频器内部结构6.1.16.1.1主电路主电路 整流电路、起动保护、滤波电路、逆变电路整流电路、起动保护、滤波电路、逆变电路、指示电路、指示电路、制、制动单元动单元、输入端子、输入端子、输出端子。输出端子。第六章：变频器内部结构第六章：变频器内部结构1.1.整流电路整流电路VD1VD6VD1VD6整流二极管，整流二极管，c1c1、c2c2，滤波电容，滤波电容，RLRL，限流电阻。，限流电阻。第六章：变频器内部结构第六章：变频器内部结构2.2.制动电路制动电路 图中图中RBRB电阻和电阻和VTBVTB是是制动选件，当电动机产制动选件，当电动机产生回馈电能，使生回馈电能，使UPNUPN电压电压达到达到700V700V，VTBVTB受控导受控导通，电动机的机械能转通，电动机的机械能转换成的电能通过换成的电能通过RBRB电阻电阻消耗，电动机得到制动消耗，电动机得到制动力矩停止。力矩停止。第六章：变频器内部结构第六章：变频器内部结构3.3.逆变电路逆变电路将直流电转换为三相交将直流电转换为三相交流电流电图中，图中，VT1VT6VT1VT6，逆变，逆变管，管，VD7VD12VD7VD12，续流，续流二极管二极管第六章：变频器内部结构第六章：变频器内部结构1 1）逆变原理）逆变原理下面分析怎样将一个直流电变为下面分析怎样将一个直流电变为正弦波的问题。正弦波的问题。采样原理采样原理PWMPWM技术的理论基础是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：变频器内部结构第六章：变频器内部结构脉宽调制波脉宽调制波SPWMSPWM：将一个正弦波电压分为：将一个正弦波电压分为N N等份，并把正弦曲线每一等等份，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，就是的宽度与正弦波的大小成正比，这样得到的脉冲列，就是SPWMSPWM波。波。实际应用中实际应用中SPWMSPWM波的形成波的形成：调制方法：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。利用载波和调制波相比较方式来确定脉宽和间隔。调制波调制波u ur r：所希望生成的等效正弦波所希望生成的等效正弦波 载波载波u uc c：等腰三角波或锯齿波等腰三角波或锯齿波第六章：变频器内部结构第六章：变频器内部结构2)sPWM2)sPWM波的生成波的生成 按照调制脉冲的极性关系，PWM逆变电路的控制方式分为：单极性控制单极性控制: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：变频器内部结构第六章：变频器内部结构2)2)双极性控制：载波双方向变双极性控制：载波双方向变化，在任意半个周期化，在任意半个周期SPWMSPWM波双方向变化；波双方向变化；u ur r u uc c时，正脉冲；时，正脉冲；u ur r u uc c时，负脉冲时，负脉冲第六章：变频器内部结构第六章：变频器内部结构3)三相逆变波形三相逆变波形加在加在6只逆变管上的信号都为开关信号，只逆变管上的信号都为开关信号，6只逆变管就相当于只逆变管就相当于6个开关，管个开关，管子导通相当于开关闭合，截止时相当于开关断开。子导通相当于开关闭合，截止时相当于开关断开。第六章：变频器内部结构第六章：变频器内部结构4.开关器件开关器件1 1）二极管）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，相当于开关断开第六章：变频器内部结构第六章：变频器内部结构2 2）绝缘栅双极晶体管（）绝缘栅双极晶体管（IGBTIGBT）结构及外形结构及外形IGBT是MOS和GTR取长补短相结合的产物，具有栅极G、集电极C、和发射极E的三个引出端。第六章：变频器内部结构第六章：变频器内部结构工作特点：工作特点：当uGEUGE(th)（开启电压）时，IGBT截止，无iC；当uGEUGE(th)时，uCE加正压，IGBT导通，其输出电流iC与驱动电压uGE基本呈线形关系。如图所示为IGBT的驱动电压uGE与输出电流iC的关系，此曲线称为IGBT的转移特性曲线。参数：参数：IGBT工作时，UGE导通电压15V、关断电压-5V。开关频率小于100kHz。第六章：变频器内部结构第六章：变频器内部结构6.1.26.1.2其他电路其他电路 1.1.输入端隔离电路输入端隔离电路 变频器有一系列的输入端子，变频器有一系列的输入端子，这些输入端子和这些输入端子和CPU是通过隔离是通过隔离电路联系的。输入端隔离电路出电路联系的。输入端隔离电路出了问题，影响端子的正常输入，了问题，影响端子的正常输入，因为每个输入端子独立连接一只因为每个输入端子独立连接一只光电耦合器，哪一只光电耦合器光电耦合器，哪一只光电耦合器出了问题，那一路输入端子不能出了问题，那一路输入端子不能正常工作。正常工作。第六章：变频器内部结构第六章：变频器内部结构2.I-U2.I-U转换电路转换电路 该电路是该电路是模拟输入电压、模拟输入电压、电流、以及模电流、以及模拟输出指示端拟输出指示端子的转换电路。子的转换电路。该电路出了问该电路出了问题，会影响这题，会影响这几路信号的正几路信号的正常工作。常工作。第六章：变频器内部结构第六章：变频器内部结构 3.DC/DC3.DC/DC电源电源 这是变频这是变频器除了主电路之器除了主电路之外所有电路的供外所有电路的供电电源。它出了电电源。它出了故障，整个变频故障，整个变频器停止工作。因器停止工作。因为该电源的输出为该电源的输出端是分组输出，端是分组输出，哪一组出了问题哪一组出了问题，影响那一组所，影响那一组所对应的电路。对应的电路。第六章：变频器内部结构第六章：变频器内部结构开关电源电路图开关电源电路图 图中L1为一次电路，L2、L3、L4、L5为二次电路，工作时一次电路导通，二次电路截止，一次电路截止时，二次电路导通。二次电路的输出电压由开关管的脉冲宽度调节。开关电源容易损坏的元件是滤波电容、整流二极管、开关管。第六章：变频器内部结构第六章：变频器内部结构4.4.过压过压/欠压保欠压保护电路护电路 该电路是直该电路是直流母线电压的检流母线电压的检测电路，检测直测电路，检测直流母线欠压或过流母线欠压或过压。该电路出了压。该电路出了问题，一是不能问题，一是不能正确的提供检测正确的提供检测保护信号，产生保护信号，产生误报；二是失去误报；二是失去保护功能，使制保护功能，使制动电阻不能工作，动电阻不能工作，引起主电路过压引起主电路过压而损坏。而损坏。第第六六章：变频器内部结构章：变频器内部结构 5.5.驱动电路驱动电路 该电路是将该电路是将CPU输出的输出的PWM信号进行信号进行放大，驱动放大，驱动IGBT开关工作。开关工作。该电路和主电路该电路和主电路紧密相连，是很紧密相连，是很重要，又容易出重要，又容易出故障的一部分电故障的一部分电路路第第六六章：变频器内部结构章：变频器内部结构1）驱动电路）驱动电路隔离放大、驱动放大电路、驱动电路电源隔离放大、驱动放大电路、驱动电路电源光耦隔离电路光耦隔离电路图中图中ICIC为为PWMPWM输出和驱动电路的隔离电路。当驱动电路损坏不至于将故障输出和驱动电路的隔离电路。当驱动电路损坏不至于将故障扩大到扩大到PWMPWM发生电路。发生电路。V1V1为第一级放大；为第一级放大；V2V2、V3V3为输出跟随器，提高输出能力。为输出跟随器，提高输出能力。图中稳压管图中稳压管DZDZ使电源电压稳定在使电源电压稳定在20V20V。注：隔离电路中的光耦隔离集成块容易损坏。注：隔离电路中的光耦隔离集成块容易损坏。第第六六章：变频器内部结构章：变频器内部结构2 2）驱动电路和电源的连接）驱动电路和电源的连接电路作用：电路作用：为驱动电路提供直流电源。该电路由一只5V稳压管取得5V电源，加在IGBT开关管的发射极上，使驱动信号在零时，保证IGBT控制极为5V的负电压，使管子可靠的截止。该电源需要4组，三个带浮地，一个直接接地。该电源由变频器的DC/DC直流电源提供。第六章：变频器内部结构第六章：变频器内部结构6.6.保护电路保护电路 是保护逆是保护逆变桥过流、过变桥过流、过压、过载等的压、过载等的保护电路。它保护电路。它由检测、放大、由检测、放大、模模/数转换等数转换等电路组成。该电路组成。该电路出了故障，电路出了故障，一是误报；二一是误报；二是失去保护功是失去保护功能，造成逆变能，造成逆变桥的损坏。桥的损坏。第六章：变频器内部结构第六章：变频器内部结构1）电流检测电路）电流检测电路通过检测变频器的输通过检测变频器的输出电流，进行过流、出电流，进行过流、过载计算，当判断为过载计算，当判断为过流、过载，立即封过流、过载，立即封锁变频器的输出脉冲，锁变频器的输出脉冲，使使PWMPWM电路停止工作。电路停止工作。R121R121为检测电阻，检为检测电阻，检测电流为测电流为1A1A。(检测电流为检测电流为100A,R121100A,R121为为0.015 0.015 )。第六章：变频器内部结构第六章：变频器内部结构2 2）直流电压检测电路）直流电压检测电路 为保证电网电为保证电网电压变化时，仍能保压变化时，仍能保证证U/f=CU/f=C的控制方的控制方式，由该电路实时式，由该电路实时检测直流电路的电检测直流电路的电压压UdUd,根据根据UdUd的变的变化调整化调整PWMPWM波的占波的占空比。空比。第六章：变频器内部结构第六章：变频器内部结构7.7.操作面板操作面板 操作面版是操作面版是采用接插件连接，采用接插件连接，接触不良，会引接触不良，会引起个别功能消失，起个别功能消失，供电不良会引起供电不良会引起黑屏。个别功能黑屏。个别功能部件失灵，可能部件失灵，可能是按键接触虚。是按键接触虚。第六章：变频器内部结构第六章：变频器内部结构8.8.开路集电极输出开路集电极输出端子端子 该端子由隔该端子由隔离电路（与离电路（与CPUCPU隔隔离）。因为使用离）。因为使用的原因损坏率较的原因损坏率较高。一般属于开高。一般属于开路晶体管过流所路晶体管过流所致。判断较容易，致。判断较容易，因为其他几路如因为其他几路如果是好的，只此果是好的，只此一路有问题，可一路有问题，可断定该只管子有断定该只管子有问题；如果各只问题；如果各只管子都有问题，管子都有问题，则可能问题出在则可能问题出在单片机。单片机。第六章：变频器内部结构第六章：变频器内部结构9.故障接点开关故障接点开关 该开关主要该开关主要为变频器的故障为变频器的故障报警用，当变频报警用，当变频器出现故障时，器出现故障时，该端子输出故障该端子输出故障信号。信号。第六章：变频器内部结构第六章：变频器内部结构10.10.单片机单片机单片机又称单片机又称CPU，是整个变频，是整个变频器的核心器件，如同人的器的核心器件，如同人的大脑，输出各种控制信号大脑，输出各种控制信号和处理输入、检测等信号。和处理输入、检测等信号。CPU是集成电路，又经过层层是集成电路，又经过层层保护，故障率很低。正常保护，故障率很低。正常工作时的损坏率很低，雷工作时的损坏率很低，雷击、变频器电源引起的过击、变频器电源引起的过压、工作环境潮湿、静电压、工作环境潮湿、静电感应等可能引起损坏。在感应等可能引起损坏。在故障维修时，没有充分的故障维修时，没有充分的理由，不要轻易怀疑单片理由，不要轻易怀疑单片机有问题。因为单片机有机有问题。因为单片机有问题，就得换主板。问题，就得换主板。第六章：变频器内部结构第六章：变频器内部结构11.16MHz11.16MHz晶振晶振 晶振是晶振是CPUCPU的主频震荡器震荡器件。它不是一个很耐用的器件。的主频震荡器震荡器件。它不是一个很耐用的器件。在众多的电子设备中，晶振的损坏时有发生。因为他的结构是两个金在众多的电子设备中，晶振的损坏时有发生。因为他的结构是两个金属片中夹着一块晶体，晶体怕震、怕氧化。晶振出了问题，整个变频属片中夹着一块晶体，晶体怕震、怕氧化。晶振出了问题，整个变频器都不能正常工作。器都不能正常工作。晶振结构第六章：变频器内部结构第六章：变频器内部结构6.26.2高压变频器主电路拓补结构高压变频器主电路拓补结构按照电压的划分，低于按照电压的划分，低于1kV1kV，称为低压；大于，称为低压；大于lkVlkV、小于、小于10kV,10kV,称为称为中压，中压，10kV10kV以上，称为高压。以上，称为高压。我们习惯上把额定电压为我们习惯上把额定电压为6kV6kV或或3kV3kV的电动机称为的电动机称为“高压电动机高压电动机”，因此，我们也把工作电压在，因此，我们也把工作电压在1 1lOkVlOkV的变频器统称为中的变频器统称为中(高高)压压变频器。变频器。中（高）压变频器因为工作电压升高，开关器件因为受到耐中（高）压变频器因为工作电压升高，开关器件因为受到耐压的限制，不能完全承受电源的高电压，使主电路和低压变频压的限制，不能完全承受电源的高电压，使主电路和低压变频器有了很大的区别。为了使变频器能工作在高电压，人们研究器有了很大的区别。为了使变频器能工作在高电压，人们研究出了多种不同的电路结构。出了多种不同的电路结构。第六章：变频器内部结构第六章：变频器内部结构1.1.高高-低低-高变频器高变频器 它是把电网的高压或中压经降压变压器降为低压，通过低压变频它是把电网的高压或中压经降压变压器降为低压，通过低压变频器变频，然后再经升压变压器将低压升为中压，供给电动机运行。实器变频，然后再经升压变压器将低压升为中压，供给电动机运行。实际上这种电路结构所用的变频器为低压变频器。际上这种电路结构所用的变频器为低压变频器。第六章：变频器内部结构第六章：变频器内部结构2.2.高高中型中型高高中型变频器是把电网的高压经降压变压器中型变频器是把电网的高压经降压变压器降为中压，送入中压变频器，中压变频器的输出驱动电动机。降为中压，送入中压变频器，中压变频器的输出驱动电动机。第六章：变频器内部结构第六章：变频器内部结构功率单元串联高压变频器功率单元串联高压变频器功率单元串联高压变频器，属于功率单元串联高压变频器，属于“高高中型中型”变频器。主电路是利用移变频器。主电路是利用移相变压器降压，再通过多个低压变频功率单元串联组成。各功率单元相变压器降压，再通过多个低压变频功率单元串联组成。各功率单元分别由多绕组移相降压变压器的一组二次绕组供电。多绕组移相降压分别由多绕组移相降压变压器的一组二次绕组供电。多绕组移相降压变压器是功率单元串联高压变频器电路中的一个重要部件变压器是功率单元串联高压变频器电路中的一个重要部件。第六章：变频器内部结构第六章：变频器内部结构 功率单元为三相输入、单相输出的交功率单元为三相输入、单相输出的交直直交交PWMPWM型变频器结构型变频器结构(见图见图1)1)。将相邻功率单元的输出端串接起来，形成。将相邻功率单元的输出端串接起来，形成Y Y联结结构联结结构(见图见图2)2)，实现变频的高压直接输出，供给高压电动机。每个功率单元分别，实现变频的高压直接输出，供给高压电动机。每个功率单元分别由输入变压器的一组二次绕组供电，功率单元之间及二次绕组之间相由输入变压器的一组二次绕组供电，功率单元之间及二次绕组之间相互绝缘。互绝缘。第六章：变频器内部结构第六章：变频器内部结构逆变器输出采用多电平移相式逆变器输出采用多电平移相式PWMPWM技术，同一相的功率单元输出相同幅值技术，同一相的功率单元输出相同幅值和相位的基波电压，但串联各功率单元的载波之间互相错开一定角度，和相位的基波电压，但串联各功率单元的载波之间互相错开一定角度，实现多电平实现多电平PWMPWM，输出电压非常接近正弦波（输出，输出电压非常接近正弦波（输出PWMPWM波如图所示）。波如图所示）。该变频器由于输入输出波形好，被人们称为该变频器由于输入输出波形好，被人们称为“完美无谐波变频器完美无谐波变频器”，有，有的资料中也称为绿色变频器。的资料中也称为绿色变频器。第六章：变频器内部结构第六章：变频器内部结构3.3.高高高型高型高高高型变频器的电路结构如图所示。它是直接将电源高压加到变频器，高型变频器的电路结构如图所示。它是直接将电源高压加到变频器，通过变频器整流、逆变驱动高压电动机。通过变频器整流、逆变驱动高压电动机。高压变频器从电路结构上最简单，但要解决开关器件的串联均压等技术高压变频器从电路结构上最简单，但要解决开关器件的串联均压等技术问题。问题。第六章：变频器内部结构第六章：变频器内部结构 成都佳灵电气制造有限公司根据十几年生产变频器的经验，攻克成都佳灵电气制造有限公司根据十几年生产变频器的经验，攻克了器件串联的技术难关，在了器件串联的技术难关，在1999年研究出了具有自主知识产权的直接年研究出了具有自主知识产权的直接串联串联IGBT中压变频器，并申请了专利。中压变频器，并申请了专利。第六章：变频器内部结构第六章：变频器内部结构电路的优缺点电路的优缺点1 1）优点）优点 直接串联变频器电路结构简单，省掉了输入输出变压器，节省了直接串联变频器电路结构简单，省掉了输入输出变压器，节省了成本和占地面积。由于没有了变压器大量的接头，减少了接头的发热成本和占地面积。由于没有了变压器大量的接头，减少了接头的发热损耗和故障率，工作效率高（效率可达损耗和故障率，工作效率高（效率可达98%）。直接串联变频器可以）。直接串联变频器可以像低压变频器一样加直流制动电路或能量回馈，其动态性能也可以像像低压变频器一样加直流制动电路或能量回馈，其动态性能也可以像低压变频器一样优越，调速范围宽。是高压变频器的一种良好机型和低压变频器一样优越，调速范围宽。是高压变频器的一种良好机型和发展方向。发展方向。2）缺点）缺点 输入电路采用直接整流，输入电流谐波大。为了减小对输入的输入电路采用直接整流，输入电流谐波大。为了减小对输入的影响，可在输入端加入滤波器或采用影响，可在输入端加入滤波器或采用PWMPWM整流（电路如下图），达到整流（电路如下图），达到完美无谐波。完美无谐波。第六章：变频器内部结构第六章：变频器内部结构 PWM整流高压串联变频器整流高压串联变频器第六章：变频器内部结构第六章：变频器内部结构