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變頻器的硬件組成原理

隨著變頻器在工業(yè)生產(chǎn)中日益廣泛的應(yīng)用,變頻器對于大家來說越來越重要,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(shù)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(dāng)然還
包括限流電路,制動電路,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(jié)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電壓,從而避免由此而導(dǎo)致的變頻器損壞。當(dāng)電源電壓為三相380V時,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,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(fù)載屬感性負(fù)載的異步電動機(jī),無論異步電動機(jī)處于電動或發(fā)電狀態(tài),在直流濾波電路和異
步電動機(jī)之間,總會有無功功率的交換,這種無功能量要靠中間直流電路的儲能元件來緩沖。通用變頻器直流濾波電路包含大電容量鋁電解電容,它是由若干個電容器串聯(lián)和并聯(lián)構(gòu)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(zhuǎn)換成頻率和電壓都可以任意調(diào)節(jié)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,起著非常重要的作用。較常見的逆變電路結(jié)構(gòu)形式是利用六個功率開關(guān)器件（CTR,ICBT,IGCT,CTO晶閘管等）組成的三相橋式逆變電路,有規(guī)律地控制逆變器中功率開關(guān)器件的導(dǎo)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(shè)置有續(xù)流電路,續(xù)流電路的功能是當(dāng)頻率下降時,異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速也隨之下降,為異步電動機(jī)的更新電能反饋至直流電路提供通道。在逆變過程中,寄生電感釋放能量。另外
,當(dāng)位于同一橋臂上的兩個開關(guān)器件同時處于開通狀態(tài)時將會出現(xiàn)短路現(xiàn)象,并燒毀換相器件,所以在實際的通用變頻器中,還設(shè)有緩沖電路等各種相應(yīng)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,對換相器件進(jìn)行保護(hù)。
(2)逆變電路構(gòu)成原理 逆變部分功率器件常采用集成門極換向晶閘管(IGCT),由于受到器件開關(guān)損耗,尤其是關(guān)斷損耗的限制,IGCT的開關(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(xù)流二極管和電阻組成,因為IGCT本身不能控制di/dt,所以必須通過外加的di/dt限制電路,使逆變器ICCT反并聯(lián)續(xù)流二極管的反向恢復(fù)控制在安全運行范圍內(nèi),同時該限制
電路也用于限制短路時的電流上升率。保護(hù)用IGCT的作用是當(dāng)逆變器發(fā)生短路等故障時,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那樣存在過電流退飽和效應(yīng),所以可以通過檢測陽極電壓上升來進(jìn)行短路檢測,并通過門極關(guān)斷進(jìn)行保護(hù),所以必須通過霍爾電流傳感器
,檢測到過電流,然后通過串聯(lián)在上下直流母線的兩個保護(hù)用ICCT進(jìn)行關(guān)斷。
(3)逆變器控制電路中的保護(hù)電路逆變器控制電路中的保護(hù)電路,可分為逆變器保護(hù)和異步電動機(jī)保護(hù)兩種,保護(hù)功能如下：
1)逆變器保護(hù)：
①瞬時過電流保護(hù)。此保護(hù)用于應(yīng)對逆變電流負(fù)載側(cè)短路等,當(dāng)發(fā)生短路,流過逆變器電路的電流達(dá)到異常值（超過容許值）時,瞬時停止逆變器運行,切斷電流。
②過載保護(hù)。當(dāng)持續(xù)電流超過規(guī)定時間時,為防止逆變器件,電線等損壞,要停止逆變器運行。
③更新過電壓保護(hù)。應(yīng)用逆變器使電動機(jī)快速減速時,由于更新功率使直流電路電壓升高,有時超過容許值,可以采取停止逆變器運行的方法,防止過電壓。
④瞬時斷電保護(hù)。瞬時斷電保護(hù)是對于毫秒級內(nèi)的瞬時斷電,控制電路需正常工作的保護(hù)功能。但瞬時斷電如果達(dá)10ms以上時,通常不僅控制電路誤動作,
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接地過電流保護(hù)。逆變器負(fù)載接地時,為了保護(hù)逆變器,要有接地過電流保護(hù)功能。同時為了保證人身安全,需要裝設(shè)剩余電流斷路器。
⑥冷卻風(fēng)機(jī)過熱保護(hù)。有冷卻風(fēng)機(jī)的裝置,當(dāng)風(fēng)機(jī)異常時裝置內(nèi)溫度將上升,因此采用風(fēng)機(jī)熱繼電器或溫度傳感器,檢測出異常后停止逆變器工作。
2)異步電動機(jī)的保護(hù)：
①過載保護(hù)。當(dāng)變頻器低速運行時間較長時,電動機(jī)容易過熱,因此在異步電動機(jī)內(nèi)可埋入溫度檢出器,或者利用裝在逆變器內(nèi)的電子熱保護(hù)來檢出過熱,對電動機(jī)作過載保護(hù)；當(dāng)電動機(jī)動作過頻
時,應(yīng)考慮減輕電動機(jī)負(fù)載,增加電動機(jī)及逆變器的容量等。
②***保護(hù)。當(dāng)逆變器的輸出頻率或者異步電動機(jī)的速度超過規(guī)定值時,停止逆變器運行。
3)其他保護(hù)：
①防止失速過電流。當(dāng)變頻器使電動機(jī)加速時,如果異步電動機(jī)跟進(jìn)遲緩,則過電流保護(hù)電路動作時,運行就不能繼續(xù)進(jìn)行（失速）。所以,在負(fù)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(zhuǎn)中的過電流,有時也進(jìn)行同樣的控制。
②防止失速更新過電壓。當(dāng)變頻器使電動機(jī)減速時產(chǎn)生的更新能量使主電路直流電壓上升,為防止更新過電壓電路保護(hù)動作,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(zhuǎn)（失速
）。
4．變頻器控制電路
給異步電動機(jī)供電（電壓,頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號的網(wǎng)絡(luò),稱為控制電路�？刂齐娐酚深l率,電壓的運算電路,主電路的電壓,電流檢測電路,電動機(jī)的速度檢測電路,將運算電路的控
制信號進(jìn)行放大的驅(qū)動電路,以及逆變器和電動機(jī)的保護(hù)電路等組成。無速度檢測電路為開環(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,可以對異步電動機(jī)的速度進(jìn)行更準(zhǔn)確的閉環(huán)控
制。
1)運算電路將外部的速度,轉(zhuǎn)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(qū)動電路為驅(qū)動主電路器件的電路,它與控制電路隔離,控制主電路器件的導(dǎo)通與關(guān)斷。
4)110電路使變頻器更好地實現(xiàn)人機(jī)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(nèi)部參數(shù)（比如電流,頻率,保護(hù)動作驅(qū)動等）的輸入。
5)速度檢測電路將裝在異步電動機(jī)軸上的速度檢測器(檢測時速發(fā)電機(jī)(TG),編碼器( PLG)等）的信號設(shè)為速度信號,送人運算電路,根據(jù)指令和運算可使電動機(jī)按指令速度運轉(zhuǎn)。
6)保護(hù)電路的作用是當(dāng)電動機(jī)發(fā)生過載或過電壓等異常情況時,為了防止逆變器和異步電動機(jī)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(shù)
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開關(guān)信號電路,變頻器的開停指令,正反轉(zhuǎn)指令等（數(shù)字）。

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