變頻器的結構及控制電路概述

  變頻器是將固定頻率的交流電變換為頻率連續(xù)可調的交流電的裝置。變頻器技術隨著微電子技術、電力電子技術、計算機技術和自動控制技術等的不斷發(fā)展而發(fā)展，其應用越來越普及。

  一、變頻器的結構

  通用變頻器由主電路和控制電路組成，其基本結構如下圖所示。主電路包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)和逆變器。控制電路由運算電路、檢測電路、控制信號的輸人/輸出電路和驅動電路組成。

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  圖1-2 通用變頻器的基本結構

  1、主電路

  (1)、整流電路整流電路的主要作用是把三相(或單相)交流電轉變成直流電，為逆變電路提供所需的直流電源。按使用的器件不同，整流電路可分為不可控整流電路和可控整流電路，如圖所示。

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  圖1-3 交-直-交電壓型變頻器主電路

  不可控整流電路使用的器件為電力二極管(PD)，可控整流電路使用的器件通常為普通晶閘管

  1)、電力二極管(PD)：指可以承受高電壓、大電流，具有較大耗散功率的二極管。電力二極管的內部結構是一個PN結，加正向電壓導通，加反向電壓截止，是不可控的單向導通器件。電力二極骨與普通二極管的結構、工作原理和伏安特性相似，但它們的主要參數和選擇原則不盡相同。電力二極管的圖形符號如圖1-4所示，其中，A為陽極，K為陰極,其伏安特性如圖1-4c所示，其主要參數有正向平均電流If、反向重復峰值電壓Urrm、反向不重復峰值電壓Ursm，和正向平均電壓Uf等。

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  2)、普通晶閘管(SCR)：普通晶閘管是雙極型電流控制器件，其圖形符號如圖1-5a所示，其中，A為陽極，K為陰極，G為門極，其伏安特性如圖1-5b所示。當對晶閘管的陽極和陰極兩端加正向電壓，同時在它的門極和陰極兩端也適當加正向電壓時，晶閘管導通。但導通后門極失去控制作用，不能用門極控制晶閘管關斷，所以它是半控型器件。它的主要參數有斷態(tài)重復峰值電壓Udrm、反向重復峰值電壓Urrm、通態(tài)平均電壓Ut(av)、通態(tài)平均電流It(av)、維持電流Ih、擎住電流Il和通態(tài)浪涌電流Itsm等。

  (2)、濾波電路 波電路通常由若干個電解電容并聯成一組，如圖1-3中的C1和C2。為了解決電容C1和C2的均壓問題，在兩電容旁各并聯一個阻值相等的均壓電阻R1和R2。

  在圖1-3中，串聯在整流橋和濾波電容之間的限流電阻R8和短路開關(虛線所畫開關)組成了限流電路。當變頻器接人電源的瞬間，將有一個很大的沖擊電流經整流橋流向濾波電容，整流橋可能因電流過大而在接人電源的瞬間受到損壞，限流電阻R8可以削弱該沖擊電流，起到保護整流橋的作用。在許多新的變頻器中R8已由晶閘管替代。

  (3)、直流中間電路由整流電路可以將電網的交流電源整流成直流電壓或直流電流，但這種電壓或電流含有電壓或電流紋波，會影響直流電壓或電流的質量。為了減小這種電壓或電流的波動，需要加電容器或電感器作為直流中間環(huán)節(jié)。

  對電壓型變頻器來說，直流中間電路通過大容量的電容對輸出電流進行濾波。

  對電流型變頻器來說，直流中間電路通過電感對輸出電流進行濾波。

  (4)、逆變電路逆變電路是變頻器最主要的部分之一，它的功能是，在控制電路的控制下將直流中間電路輸出的直流電壓轉換為電壓、頻率均可調的交流電壓，實現對異步電動機的變頻調速控制。變頻器中應用最多的是三相橋式逆變電路，它是由電力晶體管(GTR)組成的三相橋式逆變電路，該電路主要是對開關器件進行控制。目前，常用的開關器件有門極關斷(GTO)晶閘管、電力晶體管(GTR或BJT )、功率場效應晶體管(P-MOSFET)以及絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等，在實際應用時要查閱相關使用手冊。

  1)、門極關斷(GTO)晶閘管的導通控制與晶閘管一樣，但是在它的門極加負電壓可使其關斷，具有自關斷能力，屬于全控型器件，其中，A人為陽極，K為陰極，G為門極。它的外形與普通晶閘管一樣，其開關特性示意圖請參考相關資料。

  2)、電力晶體管通常又稱為雙極型晶體管，是一種大功率高反壓晶體管，屬于全控型器件。它的工作原理與普通中、小功率晶體管相似，但它主要工作在開關狀態(tài)，不用于信號的放大，它所承受的電壓和電流數值大。GTR作為大功率開關應用最多的是GTR模塊，B為基極、C為集電極、E為發(fā)射極。主要參數有反向擊穿電壓U ceo ,最大工作電流I cm集電極最大耗散功率P cm、導通時間t on和關斷時間t off等。

  3)、電力MOS場效應晶體管(P-MOSFET)是單極型全控器件，屬于電壓控制。具有驅動功率小、控制線路簡單、工作頻率高的特點。

  4)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)是復合型全控器件，具有輸人阻抗高、工作速度快、通態(tài)電壓低、阻斷電壓高、承受電流大等優(yōu)點，是功率開關電源和逆變器的理想電力半導體器件。IGBT模塊的外形、結構和圖形符號如圖1-13所示.其中，G為柵極，C為集電極，E為發(fā)射極。IGBT的導通和關斷是由柵極電壓來控制的。當柵極加正電壓時，P-MOSFET內形成溝道，IGBT導通;當柵極加負電壓時,P-MOSFET內的溝道消失，EGBT關斷。IGBT的輸出特性可分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。IGBT的主要參數有集電極-發(fā)射極擊穿電壓U ges、集電極額定最大直流I c、集電極-發(fā)射極間的飽和壓降U ce(sat)和開關頻率f on等。

  在中小容量的變頻器中多采用PWM開關方式的逆變電路，換流器件為大功率晶體骨(GTR)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)或功率場效應晶體管(P-MOSFET)。隨著門極關斷(GTO)晶閘管的容盆和可靠性的提高，在中大容量的變頻器中采用PWM開關方式的GTO晶閘管逆變電路逐漸成為主流。

  在圖1-3所示的電路中，由開關管器件VT1~VT6構成的電路稱為逆變橋，由VD7~VD12構成續(xù)流電路。

  續(xù)流電路的作用如下:

  ①為電動機繞組的無功電流返回直流電路提供通路。

  ②當頻率下降使同步轉速下降時。為電動機的再生電能回饋至直流電路提供通路。

  ③為電路的寄生電感在逆變過程中釋放能量提供通路。

  (5)能耗制動電路在變頻調速中，電動機的降速和停機是通過減小變頻器的輸出頻率，從而降低電動機的同步轉速的方法來實現的。當電動機減速時，在頻率剛減小的瞬間，電動機的同步轉速隨之降低，由于機械慣性，電動機轉子轉速未變，使同步轉速低子電動機的實際轉速，電動機處于發(fā)電制動運行狀態(tài)，負載機械和電動機所具有的機械能蟹被回饋給電動機.并在電動機中產生制動轉矩，使電動機的轉速迅速下降。

  電動機再生的電能經過圖1-3中的續(xù)流二極管VD7~VD12全波整流后，反饋到直流電路。由于直流電路的電能無法回飲給電網，在C1和C2上將產生短時間的電荷堆積，形成“泵生電壓”，使直流電壓升高。當直流電壓過高時，可能損壞換流器件。變頻器的檢測單元檢測到直流問路電壓U8超過規(guī)定值時，控制功率管VT8導通，接通能耗制動電路，使直流回路通過RB電限釋放電能。

  2、變頻器控制電路

  為變頻器的主電路提供通斷控制信號的電路稱為控制電路，其主要任務是完成對逆變器開關器件的開關控制和提供多種保護功能。控制電路的控制方式有模擬控制和數字控制兩種。目前已廣泛采用了以微處理器為核心的全數字控制技術，主要靠軟件完成各種控制功能，以充分發(fā)揮微處理器計算能力強和軟件控制靈活性高的特點，完成許多模擬控制方式難以實現的功能。控制電路主要由以下幾部分組成。

  (1)、運算電路運算電路的主要作用是將外部的速度、轉矩等指令信號同檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算，決定變頻器的輸出頻率和電壓。

  (2)、信號檢測電路將變頻器和電動機的工作狀態(tài)反饋至微處理器，并由微處理器按事先確定的算法進行處理后為各部分電路提供所需的控制或保護信號。

  (3)、驅動電路驅動電路的作用是為變頻器中逆變電路的換流器件提供驅動信號。當逆變電路的換流器件為晶體管時，稱為基極驅動電路;當逆變電路的換流器件為SCR,IGBT或GTO晶閘管時，稱為門極驅動電路。

  (4)、保護電路保護電路的主要作用是對檢測電路得到的各種信號進行運算處理，以判斷變頻器本身或系統(tǒng)是否出現異常。當檢測到異常時，就進行各種必要的處理，如使變頻器停止工作或抑制電壓、電流值等。

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