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變頻器的硬件組成原理

隨著(zhù)變頻器在工業(yè)生產(chǎn)中日益廣泛的應用,變頻器對于大家來(lái)說(shuō)越來(lái)越重要,而了解變頻器的組成原理能夠幫助我們更好地使用變頻器。
目前,通用變頻器絕大多數是交-直-交變頻器,通常尤以電壓源型變頻器較常用,變頻器的核心電路由整流電路（交-直變換）,直流濾波電路（能耗電路）及逆變電路（直．交變換）組成,當然還
包括限流電路,制動(dòng)電路,控制電路等其他組成部分。

下面我們就變頻器的各硬件部分進(jìn)行描述講解：
1．整流電路
通用變頻器的整流電路是由三相橋式整流電路組成的。它的功能是將工頻電進(jìn)行整流,經(jīng)中間直流環(huán)節平波后為逆變電路和控制電路提供所需的直流電。三相交流電源一般需經(jīng)過(guò)吸收電容和壓敏電
阻網(wǎng)絡(luò )引入整流橋的輸入端。網(wǎng)絡(luò )的作用是吸收交流電網(wǎng)的高頻諧波信號和浪涌過(guò)電壓,從而避免由此而導致的變頻器損壞。當電源電壓為三相380V時(shí),整流器件的較大反向電壓一般為1200 - 1600V,
較大整流電流為變頻器額定電流的兩倍。
2．直流濾波電路
為了減小直流電壓和電流的波動(dòng),可以用到直流濾波電路,它可以起到對整流電路輸出濾波的作用。逆變器的負載屬感性負載的異步電動(dòng)機,無(wú)論異步電動(dòng)機處于電動(dòng)或發(fā)電狀態(tài),在直流濾波電路和異
步電動(dòng)機之間,總會(huì )有無(wú)功功率的交換,這種無(wú)功能量要靠中間直流電路的儲能元件來(lái)緩沖。通用變頻器直流濾波電路包含大電容量鋁電解電容,它是由若干個(gè)電容器串聯(lián)和并聯(lián)構成的電容器組,以得
到所需的耐壓值和電容量。
3．逆變電路
(1)逆變電路的作用 逆變電路的作用是在控制電路的作用下,將直流電路輸出的直流電轉換成頻率和電壓都可以任意調節的交流電。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出,所以逆變電路是變頻器的核心電
路之一,起著(zhù)非常重要的作用。較常見(jiàn)的逆變電路結構形式是利用六個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件（CTR,ICBT,IGCT,CTO晶閘管等）組成的三相橋式逆變電路,有規律地控制逆變器中功率開(kāi)關(guān)器件的導通與關(guān)斷,
可以得到任意頻率的三相交流輸出。
逆變電路中都設置有續流電路,續流電路的功能是當頻率下降時(shí),異步電動(dòng)機的同步轉速也隨之下降,為異步電動(dòng)機的更新電能反饋至直流電路提供通道。在逆變過(guò)程中,寄生電感釋放能量。另外
,當位于同一橋臂上的兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件同時(shí)處于開(kāi)通狀態(tài)時(shí)將會(huì )出現短路現象,并燒毀換相器件,所以在實(shí)際的通用變頻器中,還設有緩沖電路等各種相應的輔助電路,以保證電路的正常工作和在發(fā)生意
外情況時(shí),對換相器件進(jìn)行保護。
(2)逆變電路構成原理 逆變部分功率器件常采用集成門(mén)極換向晶閘管(IGCT),由于受到器件開(kāi)關(guān)損耗,尤其是關(guān)斷損耗的限制,IGCT的開(kāi)關(guān)頻率為600Hz左右。逆變電路中的di/dt限制電路主要由di/dt
限制電抗器,與之反并聯(lián)的續流二極管和電阻組成,因為IGCT本身不能控制di/dt,所以必須通過(guò)外加的di/dt限制電路,使逆變器ICCT反并聯(lián)續流二極管的反向恢復控制在安全運行范圍內,同時(shí)該限制
電路也用于限制短路時(shí)的電流上升率。保護用IGCT的作用是當逆變器發(fā)生短路等故障時(shí),切斷短路電流,起到快速熔斷器的作用。
由于逆變電路采用ICCT作為功率器件,而ICCT本身不像IGBT那樣存在過(guò)電流退飽和效應,所以可以通過(guò)檢測陽(yáng)極電壓上升來(lái)進(jìn)行短路檢測,并通過(guò)門(mén)極關(guān)斷進(jìn)行保護,所以必須通過(guò)霍爾電流傳感器
,檢測到過(guò)電流,然后通過(guò)串聯(lián)在上下直流母線(xiàn)的兩個(gè)保護用ICCT進(jìn)行關(guān)斷。
(3)逆變器控制電路中的保護電路逆變器控制電路中的保護電路,可分為逆變器保護和異步電動(dòng)機保護兩種,保護功能如下：
1)逆變器保護：
①瞬時(shí)過(guò)電流保護。此保護用于應對逆變電流負載側短路等,當發(fā)生短路,流過(guò)逆變器電路的電流達到異常值（超過(guò)容許值）時(shí),瞬時(shí)停止逆變器運行,切斷電流。
②過(guò)載保護。當持續電流超過(guò)規定時(shí)間時(shí),為防止逆變器件,電線(xiàn)等損壞,要停止逆變器運行。
③更新過(guò)電壓保護。應用逆變器使電動(dòng)機快速減速時(shí),由于更新功率使直流電路電壓升高,有時(shí)超過(guò)容許值,可以采取停止逆變器運行的方法,防止過(guò)電壓。
④瞬時(shí)斷電保護。瞬時(shí)斷電保護是對于毫秒級內的瞬時(shí)斷電,控制電路需正常工作的保護功能。但瞬時(shí)斷電如果達10ms以上時(shí),通常不僅控制電路誤動(dòng)作,
主電路也不供電,所以檢測出這種情況后使逆變器停止運行。
⑤接地過(guò)電流保護。逆變器負載接地時(shí),為了保護逆變器,要有接地過(guò)電流保護功能。同時(shí)為了保證人身安全,需要裝設剩余電流斷路器。
⑥冷卻風(fēng)機過(guò)熱保護。有冷卻風(fēng)機的裝置,當風(fēng)機異常時(shí)裝置內溫度將上升,因此采用風(fēng)機熱繼電器或溫度傳感器,檢測出異常后停止逆變器工作。
2)異步電動(dòng)機的保護：
①過(guò)載保護。當變頻器低速運行時(shí)間較長(cháng)時(shí),電動(dòng)機容易過(guò)熱,因此在異步電動(dòng)機內可埋入溫度檢出器,或者利用裝在逆變器內的電子熱保護來(lái)檢出過(guò)熱,對電動(dòng)機作過(guò)載保護；當電動(dòng)機動(dòng)作過(guò)頻
時(shí),應考慮減輕電動(dòng)機負載,增加電動(dòng)機及逆變器的容量等。
②***保護。當逆變器的輸出頻率或者異步電動(dòng)機的速度超過(guò)規定值時(shí),停止逆變器運行。
3)其他保護：
①防止失速過(guò)電流。當變頻器使電動(dòng)機加速時(shí),如果異步電動(dòng)機跟進(jìn)遲緩,則過(guò)電流保護電路動(dòng)作時(shí),運行就不能繼續進(jìn)行（失速）。所以,在負載電流減小之前要進(jìn)行控制,舒緩頻率上升或使頻
率下降。對于恒速運轉中的過(guò)電流,有時(shí)也進(jìn)行同樣的控制。
②防止失速更新過(guò)電壓。當變頻器使電動(dòng)機減速時(shí)產(chǎn)生的更新能量使主電路直流電壓上升,為防止更新過(guò)電壓電路保護動(dòng)作,在直流電壓下降之前要進(jìn)行控制,舒緩頻率下降,防止不能運轉（失速
）。
4．變頻器控制電路
給異步電動(dòng)機供電（電壓,頻率可調）的主電路提供控制信號的網(wǎng)絡(luò ),稱(chēng)為控制電路。控制電路由頻率,電壓的運算電路,主電路的電壓,電流檢測電路,電動(dòng)機的速度檢測電路,將運算電路的控
制信號進(jìn)行放大的驅動(dòng)電路,以及逆變器和電動(dòng)機的保護電路等組成。無(wú)速度檢測電路為開(kāi)環(huán)控制；在控制電路中增加了速度檢測電路,即增加速度指令,可以對異步電動(dòng)機的速度進(jìn)行更準確的閉環(huán)控
制。
1)運算電路將外部的速度,轉矩等指令同檢測電路的電流,電壓信號進(jìn)行比較運算,決定逆變器的輸出電壓,頻率。
2)電壓,電流檢測電路是與主電路電位隔離的電路。
3)驅動(dòng)電路為驅動(dòng)主電路器件的電路,它與控制電路隔離,控制主電路器件的導通與關(guān)斷。
4)110電路使變頻器更好地實(shí)現人機交互,其具有多信號（比如多段速度運行等）的輸入,還有各種內部參數（比如電流,頻率,保護動(dòng)作驅動(dòng)等）的輸入。
5)速度檢測電路將裝在異步電動(dòng)機軸上的速度檢測器(檢測時(shí)速發(fā)電機(TG),編碼器( PLG)等）的信號設為速度信號,送人運算電路,根據指令和運算可使電動(dòng)機按指令速度運轉。
6)保護電路的作用是當電動(dòng)機發(fā)生過(guò)載或過(guò)電壓等異常情況時(shí),為了防止逆變器和異步電動(dòng)機損壞,使逆變器停止工作或舒緩電壓,電流值。一般而言,同外部進(jìn)行信號交流的基本電路有模擬與數
字兩種：
①4 - 20mA電流信號電路（模擬）,1-5V/0 -5V電壓信號電路（模擬）。
②開(kāi)關(guān)信號電路,變頻器的開(kāi)停指令,正反轉指令等（數字）。

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