1、變頻器的電路結構變頻器技術與應用變頻器的電路結構1.1通用變頻器的構造通用變頻器,一般都是采用交直交的方式組成,并由以下兩部分組成,其基本構造如圖所示。1.主回路通用變頻器的主回路包括整流部分、直流環節、逆變部分、制動或回饋環節等部分。1)整流部分:通常又被稱為電網側變流部分,它是把三相或單相交流電整流成直流電。常見的低壓整流部分是由二極管構成的不可控三相橋式電路或由晶閘管構成的三相可控橋式電路。而對中壓大容量的整流部分則采用多重化12脈沖以上的變流器。2)直流環節:由于逆變器的負載是異步電動機,屬于感性負載,因此在中間直流部分與電動機之間總會有無功功率的交換,這種無功能量的交換一般都需要中間

2、直流環節的儲能元件(如電容或電感)來緩沖。3)逆變部分:通常又被稱為負載側變流部分,它通過不同的拓撲結構實現逆變元件的規律性關斷和導通,從而得到任意頻率的三相交流電輸出。常見的逆變部分是由6個半導體主開關器件組成的三相橋式逆變電路。4)制動或回饋環節部分:由于制動形成的再生能量在電動機側容易聚集到變頻器的直流環節形成直流母線電壓的泵升,因此需及時通過制動環節將能量以熱能形式釋放或者通過回饋環節轉換到交流電網中去。2.控制回路控制回路由變頻器的核心軟件算法電路、檢測傳感電路、控制信號的輸入輸出電路、驅動電路和保護電路組成。(1)開關電源變頻器的輔助電源采用開關電源,具有體積小、效率高等優點。電源

3、輸入為變頻器主回路直流母線電壓或將交流380V整流。通過脈沖變壓器的隔離變換和變壓器副邊的整流濾波可得到多路輸出直流電壓。其中+15V、-15V、+5V共地,15V給電流傳感器、運放等模擬電路供電,+5V給DSP及外圍數字電路供電。相互隔離的4組或6組+15V電源給IPM驅動電路供電。+24V為繼電器、直流風機供電。(2)DSP(數字信號處理器)變頻器采用的DSP為TMS320F240,主要完成電流、電壓、溫度采樣、6路PWM輸出、各種故障報警輸入、電流/電壓/頻率設定信號輸入、還完成電動機控制算法的運算等功能。(3)輸入輸出端子變頻器控制電路輸入輸出端子包括:1)輸入多功能選擇端子、正反轉端

4、子、復位端子等。2)繼電器輸出端子、開路集電極輸出多功能端子等。3)模擬量輸入端子,包括外接模擬量信號用的電源(12V、10V或5V)及模擬電壓量頻率設定輸入和模擬電流量頻率設定輸入。4)模擬量輸出端子,包括輸出頻率模擬量和輸出電流模擬量等,用戶可以選擇01mA直流電流表或010V的直流電壓表,顯示輸出頻率和輸出電流,當然也可以通過功能碼參數進行選擇輸出信號。(4)SCI口TMS320F240支持標準的異步串口通信,通信波特率可達625kb/s。具有多機通信功能,通過一臺上位機可實現多臺變頻器的遠程控制和運行狀態監視功能。(5)操作面板部分DSP通過SPI口,與操作面板相連,完成按鍵信號的輸入

5、、顯示數據輸出等功能。1.2電力電子器件從一般意義上講,電力電子器件就是用于電能變換和電能控制電路中的大功率電子器件,通常指電流為數十至數千安,電壓為數百伏以上,又稱功率電子器件。變頻器也屬于電能變換的一種,從上面可以知道,其交直交主電路應用的就是電力電子器件。1.絕緣門極雙極型晶體管(IGBT)通過施加正向門極電壓形成溝道,提供晶體管基極電流使IGBT導通;反之,若提供反向門極電壓則可消除溝道、使IGBT因流過反向門極電流而關斷。IGBT集GTR通態壓降小、載流密度大、耐壓高和功率MOSFET驅動功率小、開關速度快、輸入阻抗高、熱穩定性好的優點于一身,因此備受人們青睞。它的研制成功為提高電力

6、電子裝置的性能,特別是為逆變器的小型化、高效化、低噪化提供了有利條件。比較而言,IGBT的開關速度低于功率MOSFET,卻明顯高于GTR;IGBT的通態壓降同GTR相近,但比功率MOSFET低得多;IGBT的電流、電壓等級與GTR接近,而比功率MOSFET高。2.功率集成電路功率集成電路(PIC)是電力電子器件技術與微電子技術相結合的產物,是機電一體化的關鍵接口元件。將功率器件及其驅動電路、保護電路、接口電路等外圍電路集成在一個或幾個芯片上,就制成了PIC。一般認為,PIC的額定功率應大于1W。PIC還可以分為高壓功率集成電路(HVIC)、智能功率集成電路(SPIC)和智能功率模塊(IPM)。

7、1.3典型變頻器的主回路構成方式根據變頻器構成的電力電子器件的不同,可以將變頻器的主回路構成方式分為5種典型方式,它們分別是晶體管變頻器、門極關斷晶閘管GTO變頻器、電壓型晶閘管變頻器、電流型晶閘管變頻器、斬波PAM變頻器、雙PWM變頻器等。1.晶體管變頻器及其衍生晶體管包括晶體二極管和晶體三極管。電力電子器件技術的發展使得晶體管生產工藝技術不斷得到改進,現已經能生產額定電壓1000V,額定電流300A,容量為幾百個千伏安的電力晶體管,并已模塊化,完成了從GTR到IGBT、IPM的過渡。現在的晶體管電力電子器件以高耐壓、大電流、高電流放大倍數、驅動和保護良好為特征,使其在變頻調速技術中扮演越來

8、越重要的角色,已經逐步取代了以晶閘管為開關元件的晶閘管變頻器。變頻器的主回路如圖1.19所示,其中D1D6是全橋整流電路中的二極管;D7D12這6個二極管為續流二極管,作用是消除三極管開關過程中出現的尖峰電壓,并將能量反饋給電源;L為平波電抗器,作用是抑制整流橋輸出側輸出的直流電流的脈動使之平滑;T1T6是晶體管開關元件,開關狀態由基極注入的電流控制信號來確定。變頻器的各部分組成及功能描述如下:(1)整流橋整流部分由6只整流管組成三相整流橋,將電源的三相交流全波整流成直流,如電源的進線電壓為UL,則三相全波整流后平均直流電壓UD的大小為UD=1.35UL。我國三相電源的線電壓為380V,故全波

9、整流后的平均電壓為UD=1.35UL=1.35380=513(V)。(2)濾波電容器濾波電容C1和C2的作用是:濾平全波整流后的電壓紋波;當負載發生變化時,使直流電壓保持平穩。(3)緩沖電阻和觸點開關在變頻器合上電的瞬間,濾波電容器C1和C2上的充電電流比較大,過大的沖擊電流將可能導致三相整流橋損壞。為了保護整流橋,在變頻器剛接通電源的一段時間里,電路內串入緩沖電阻R1,以限制電容器C1、C2上的充電電流。當濾波電容C1、C2充電電壓達到一定程度時,令觸點開關J1接通,將R短路掉。(4)逆變模塊逆變模塊是由6只IGBT管和6只續流二極管組成,通過控制IGBT管的開關順序和開關時間,變頻器將直流

10、電(圖1.19中的udc)變成頻率可變、電壓可變的交流電。電壓波形為脈寬調制波(圖1.19中的uout)。IPM系列產品的內部框圖如圖1.20所示。模塊內部主要包括欠壓保護電路、驅動IGBT的電路、過流保護電路、短路保護電路、溫度傳感器及過熱保護電路、門電路和IGBT。由該系列產品配16位單片機后即可構成通用VVVF變頻器。2.門極關斷晶閘管GTO變頻器及其衍生門極關斷晶閘管GTO變頻器的主回路如圖1.21所示,其中D1D6組成三相全橋整流,P、N兩點電壓為全波直流脈動電壓;L為電抗器,抑制主回路中直流電流的波紋因數即抑制脈動;C為大容量濾波電容,作用是平滑整流橋輸出的脈動電壓。二極管VR與電

11、抗器L的作用是:L為限流電抗器,當負載短路電流導致流經GTO開關元件的電流迅速大幅度增加時,L限制電流不超過關斷電流以保持GTO能隨時受控關斷,VR為續流二極管,抑制GTO關斷時兩端的電壓,為L提供放電回路。3.電壓型晶閘管變頻器所謂電壓型晶閘管變頻器就是指變頻器對于電動機來講,相當于一個電壓源,換流過程發生在變頻器內部,這種變頻器適合任何種類的負載。電壓型晶閘管變頻器的優點是可采用多重單元并列化,并通過一個大容量耦合變壓器將諸并列單元提供的能量耦合集中輸出,形成大容量。同時,此種方式的輸出電壓波形和電流波形更接近正弦波了。同時,這種類型的變頻器通用性很強,可以驅動各種不同的負載,比如一套變頻

12、器同時帶動多臺負載甚至是性質各異的負載。4.電流型晶閘管變頻器電流型晶閘管變頻器屬于電流源供電裝置,因此限制電流比較容易,適合對各種電動機進行頻繁加速、減速操作的場合。由于晶閘管制造工藝技術水平的大大提高,使用高耐壓的晶閘管可制造大容量的變頻器,采用脈寬調制PWM控制方式,低速區調速性能也很優異。目前,應用電流型晶閘管變頻器的主要有鋼鐵、造紙行業的變速控制。5.斬波PAM變頻器在脈寬調制控制方式中,對應一個正弦波,開關元件的開關頻率多達幾十次,對于一些高速及超高速運行的電動機,它所要求的變頻器輸出頻率就非常高(如600Hz以上),此時采用PWM調制方式,開關元件的開關頻率可能高達幾千甚至幾萬赫

13、茲,因此,這樣高的開關頻率對于PWM調制不再適合。可采用斬波PAM(脈幅調制)控制方式的變頻器,也就是輸出交流電壓的大小是通過調節直流電壓幅值來實現的。6.雙PWM變頻器及其衍生交直交電壓型變頻器的主電路輸入側一般是經三相橋式不控整流器向中間直流環節的濾波電容充電,然后通過PWM控制下的逆變器輸入到交流電動機上。雙PWM控制技術的工作原理:當電動機處于拖動狀態時,能量由交流電網經整流器中間濾波電容充電,逆變器在PWM控制下將能量傳送到電動機當電動機處于減速運行狀態時,由于負載慣性作用進入發電狀態,其再生能量經逆變器中開關元件和續流二極管向中間濾波電容充電,使中間直流電壓升高,此時整流器中開關元

14、件在PWM控制下將能量回饋到交流電網,完成能量的雙向流動。同時由于PWM整流器閉環控制作用,使電網電流與電壓同頻同相位,提高了系統的功率因數,消除了網側諧波污染。1.4運算電路與微處理器1.單片機從20世紀70年代到現在,單片機在交流調速系統中得到了廣泛地應用。例如,由Intel公司1983年開發生產的MCS-96系列是目前性能較高的單片機系列之一,可適用于高速、高精度的工業控制,其高檔型(如8196KB、8196KC、8196MC等)在通用開環交流調速系統中應用較多。單片機的最大優點是:在同一個芯片中可以進行各種條件判斷,并作出相應處理。采用單片機控制的變頻器控制系統,擺脫了以往SCR模擬控

15、制系統控制精度低、穩定性差的弱點,且日益小型化。隨著單片機產品的質量和性能的不斷提高,其指令執行周期不斷縮短,CPU的位數不斷增加。2.DSPDSP,即數字信號處理器,它具有高時鐘頻率、浮點運算等特點。DSP的最大速度為2040MIPS(即每秒2040百萬條指令),單周期指令執行時間快達幾十納秒,它和普通的單片機相比,處理數字運算能力增強1015倍,確保系統有更優越的控制性能。3.其他微處理器除了單片機和DSP數字信號處理器外,還有其他微處理器也在變頻調速系統得到一定的嘗試和應用,主要有以下兩種:簡指令集計算機和高級專用集成電路。簡指令集計算機,即RISC,它依靠硬件和軟件的優化組合來提高速度

16、,它放棄了某些運算復雜而用處不大的指令,省出這些指令所占用的硬件資源,以提高簡單指令的運算速度和軟件運行的整體效率。4.微處理器控制的特點變頻器采用微處理器的控制具有以下3個特點。1)可靠性和穩定性增強。大規模集成電路的采用,大大降低了硬件的連線和芯片數量,故障點減少;同時采用數字量控制,信號畸變小,更趨于穩定。2)控制精度高和實時響應快。微處理器的精度與字長有關,通用變頻器使用16位,甚至32位微處理器,其精度不斷提高,從而計算出的浮點數精度也相應提高,保證了矢量控制的速度精度。同時,微處理器的計算速度更快,數量級為每秒百萬條指令,保證了矢量計算中的數據實時響應能力。3)存儲能力大和軟件更靈

17、活。變頻器采用高性能的微處理器,系統存儲容量增大,存放時間不受限制,因此現在可以實現更多的功能碼參數和歷史數據記錄。在軟件層面上,可以實現更加貼近用戶化、行業化的特定控制功能,比如適當修改軟件、增加用戶應用宏、改善控制對象等,靈活的軟件應用將更有可能。總而言之,微處理器的應用使變頻器控制硬件更加簡化,柔性的控制算法使控制具有很大的靈活性,可實現復雜控制規律,最終使現代控制理論在運動控制系統中應用成為現實,易于與上層系統連接進行數據傳輸,便于故障診斷以加強保護和監視功能,使系統智能化(如有些變頻器具有自調整功能)。5.變頻器的PWM控制PWM控制是交流調速系統的控制核心,任何控制算法的最終實現幾

18、乎都是以各種PWM控制方式完成的。目前已經提出并得到實際應用的PWM控制方案就不下十幾種,尤其是微處理器應用于PWM技術并使之數字化以后,花樣更是不斷翻新,從最初追求電壓波形的正弦,到電流波形的正弦,再到磁通的正弦;。1.5驅動電路與開關電源1.驅動電路驅動電路只是一個統稱,隨著技術的不斷發展,驅動電路本身也經歷了從插腳式元件的驅動電路到光耦驅動電路,再到厚膜驅動電路,以及比較新的集成驅動電路,現在前面提到的后三種驅動電路在維修中還是經常能遇到的。電路用于將主控電路中CPU所產生的6個PWM信號經光耦隔離和放大后,作為逆變電路的環流器件(簡稱“逆變模塊”)的驅動信號。如圖1.23所示為典型的I

19、GBT驅動結構,它包括隔離放大電路、驅動放大電路和28變頻器應用技術(第三版)驅動電路電源組成。如圖1.24所示為一典型的變頻器驅動電路,它包括隔離放大、驅動放大和驅動電源三部分。(1)隔離放大電路驅動電路中的隔離放大電路就是對PWM信號起隔離與放大的作用,為了保護變頻器主控電路中的CPU,當CPU送出PWM信號后,首先應通過光耦隔離集成電路將驅動電路和CPU隔離,這樣當驅動電路發生故障和損壞時,不至于將CPU也損壞。隔離電路可根據信號相位的需要分為反相隔離電路和同相隔離電路兩種,具體如圖1.25所示。隔離電路中的光耦容易損壞,它損壞后,主控CPU所產生的PWM信號就被隔斷,自然這一路驅動電路中就沒有驅動信號輸出。(2)驅動放大電路驅動放大電路是將光耦隔離后的信號進行功率放大,使之具有一定的驅動能力,這種電路一般都采用雙管互補放大的電路形式,驅動功率要求大的變頻器,驅動放大電路采用二級驅動放大。同時,為了保證IGBT所