變頻器的主電路(一)

1、小孫學(xué)變頻一一第一講變頻器的主電路小孫是藍(lán)天公司的電氣工程師，多年來(lái)從事電子設(shè)備的維修工作。近幾年來(lái)，各種設(shè)備里應(yīng)用的變頻器越來(lái)越多，小孫被安排來(lái)專(zhuān)門(mén)從事變頻器的調(diào)試和維護(hù)。這一天，小孫從倉(cāng)庫(kù)里領(lǐng)出了一臺(tái)變頻器，打算配用到鼓風(fēng)機(jī)上。按照規(guī)定，先通電測(cè)試一下。誰(shuí)知一通電，就發(fā)現(xiàn)冒煙，立刻切斷了電源。把蓋打開(kāi)后，發(fā)現(xiàn)有一個(gè)電阻很燙。小孫想，在開(kāi) 蓋情況下再通電觀察一次。這一回，電阻倒是不冒煙了，但不一會(huì)兒，變頻器便因“欠壓”而跳 閘了。用萬(wàn)用表一量，那個(gè)電阻已經(jīng)燒斷了。經(jīng)人介紹，小孫找到了一位退休老高工張老師?！澳銈兡桥_(tái)變頻器在倉(cāng)庫(kù)里存放了多長(zhǎng)時(shí)間？”聽(tīng)完了小孫的情況介紹后，張老師問(wèn)?！按蠹s一年多

2、一點(diǎn)?！薄拔抑懒??！睆埨蠋熜赜谐芍竦卣f(shuō)?！霸诜治鲭娮杳盁煹脑蛑?，先要弄清楚變頻器里整流濾波電路的特點(diǎn)?！薄袄蠋?，我不大明白，變頻器的中間為什么要加進(jìn)一個(gè)直流電路呢？”“好吧，那我們就先從交-直-交變頻器的基本結(jié)構(gòu)講起?！睆埨蠋熌昧艘粡埣?， 不緊不慢地畫(huà)岀了交一直一交變頻器的框圖，如圖1 - 1所示，然后說(shuō)：“你瞧，電網(wǎng)的電壓和頻率是固定的。在我國(guó)，低壓電網(wǎng)的電壓和頻率統(tǒng)一為380v、50hz,是不能變的。要想得到電壓和頻率都能調(diào)節(jié)的電源，必須自己變出來(lái)，才便于控制。所謂變 岀來(lái)，當(dāng)然不可能象變魔術(shù)那樣憑空產(chǎn)生岀來(lái)，而只能從另一種能源變過(guò)來(lái)。這另一種能源便是直流電。因此，交-直-交變頻器的

3、工作可分為兩個(gè)基本過(guò)程：(1)交直變換過(guò)程就是先把不可調(diào)的電網(wǎng)的三相 (或單相)交流電經(jīng)整流橋整流成直流電。(2)直交變換過(guò)程就是反過(guò)來(lái)又把直流電“逆變”成電壓和頻率都任意可調(diào)的三相交流電。你方才說(shuō)的那臺(tái)變頻器的問(wèn)題，我的判斷是岀在交-直變換里。我們就來(lái)討論這部分電路吧。圖11交一直一交變頻器框圖Word格式.整理版1交-直變換電路“所謂交-直變換電路就是是整流和濾波。在低壓電路里，哪種濾波方式效果最好？” 老張又問(wèn)"應(yīng)該是形濾波?！毙O答?！翱墒牵冾l器里卻不能用形濾波?！盜CURCECC圖1 2整流和濾波電路(a)低壓整流濾波電路(b)變頻器整流濾波電路1.1變頻器不用形濾波“為

4、什么呢？ ”小孫真還沒(méi)有想到過(guò)這樣的問(wèn)題，不覺(jué)來(lái)了精神?！捌鋵?shí)，你只要比較一下這兩種整流濾波電路的區(qū)別就明白了?！睆埨蠋熣f(shuō)著，隨手就畫(huà)出了兩個(gè)整流濾波電路，如圖1 2。然后說(shuō)：“瞧，形濾波在電路里要串聯(lián)一個(gè)電感丨或電阻r的。不管串聯(lián)什么， 它總要產(chǎn)生一個(gè)電壓降 u，使后面的電壓 ud2比前面的電壓 ud1小一點(diǎn)。這在低壓電路里是沒(méi)有關(guān)系的，如果覺(jué)得Ud2太小了，你可以在設(shè)計(jì)變壓器時(shí)適當(dāng)提高一點(diǎn)副方電壓就可以了?！薄鞍?，我知道了。”小孫如夢(mèng)初醒：“變頻器前面沒(méi)有變壓器，不可能提高電壓?？墒?，稍微有 一點(diǎn)電壓降不行嗎？”“不行！”張老師斬釘截鐵地說(shuō)?！耙?yàn)樽冾l器要求后面逆變岀來(lái)的三相交流電，在50

5、hz時(shí)的電壓能夠和前面的電源電壓一般大。要是直流電壓減小了的話(huà)，逆變岀來(lái)的三相交流電壓，在5OhZ時(shí)就達(dá)不到380v 了。那人家就會(huì)說(shuō)，你這個(gè)變頻器不行，電壓不夠。所以，變頻器里只能 用電容器濾波。”“好像是用兩組電容器串聯(lián)起來(lái)的，為什么呢？”小孫來(lái)了興趣，努力思索著要主動(dòng)地問(wèn)一些問(wèn)題。“那是生產(chǎn)水平的問(wèn)題。迄今為止，全世界生產(chǎn)的電解電容器的最高耐壓，只有500v ,而380v全波整流后的峰值電壓是537v。按照國(guó)家規(guī)定，電源電壓的允許上限誤差是+10%即418v，全波整流后的峰值電壓是 591v。此外，變頻器在運(yùn)行過(guò)程中允許的最高直流電壓可達(dá)（700800）V,而在逆變的過(guò)渡過(guò)程中，瞬間的直

6、流電壓甚至可能高達(dá)1000v呢。所以，只能用兩組電容器串聯(lián)來(lái)解決?！睆埨蠋熁卮鹫f(shuō)?！斑€有，我曾打開(kāi)變頻器看過(guò)。每個(gè)電容器旁邊，都并聯(lián)一個(gè)電阻，好像叫均壓電阻?？伤鼈兊碾娮柚岛艽?，約為幾十 k ,而瓦數(shù)卻不大，好像只有IOw左右，它們能起到均壓作用嗎？"小孫顯露出一副疑惑的神情。1.2均壓電阻的學(xué)問(wèn)Cl±L L ±L1' i'I Ri *7U口±L ±L ±L TTTC2Fu圖1 -3濾波電容的均壓電路“那就讓我們來(lái)看看吧。”張老師隨手又畫(huà)了一個(gè)圖，如圖1 - 3。接著說(shuō)："圖中，電容器 Ci的充電回路由Ci和

7、r c2構(gòu)成；C2的充電回路由C2和rci構(gòu)成。2和r c2的電阻值 是相等的：r ci = r c2如果兩個(gè)電容器組的電容量有差異，假設(shè):CiV C2則兩個(gè)電容器組上的電壓分配必不相等：Uci > Uc2而兩個(gè)電容器的充電電流分別是：/ = -L ./ = .二V 4j II * L很明顯：i ri > i r2word格式.整理版這樣，電容器C2上要多充一些電，上就得到了提高。結(jié)果是 U"和Uc2趨向于均衡:Uc1 Uc2當(dāng)然，要絕對(duì)均衡是不可能的。至于瓦數(shù)么，你自己算一算看。 小孫立即拿起筆來(lái)，剛要下筆，卻又難住了，問(wèn)：“電壓值按多大算呢？”“每個(gè)電容器上的平均電壓

8、可以按300v算?！彪娮杳?，好象是 30 k ,這就好算了。”只見(jiàn)小孫在紙上算了起來(lái):“喲，還綽綽有余呢?！毙O說(shuō)，“我以前總喜歡估計(jì)一個(gè)大概數(shù)據(jù)，很少具體計(jì)算?？雌饋?lái), 以后還是要算一算的好。還有一個(gè)問(wèn)題，那個(gè)冒煙的電阻是在整流橋和濾波電容之間的，這在低壓整流電路里是沒(méi)有的 它起什么作用呢？”1.3限流電阻的作用圖1 4整流電路的合閘“就整流和濾波的基本過(guò)程而言，低壓和高壓是相同的?！睆埨蠋熡之?huà)了個(gè)整流濾波電路，如圖1 4 ,接著說(shuō)：“問(wèn)題的關(guān)鍵，是合上電源前，電容器上是沒(méi)有電荷的，電壓為OV ,而電容器兩端的電壓又是不能突變的。就是說(shuō)，在合閘瞬間，整流橋兩端（p、n之間）相當(dāng)于短路。因此，

9、在合上電源時(shí)，就岀現(xiàn)了兩個(gè)問(wèn)題：第一個(gè)問(wèn)題，是有很大的沖擊電流，如圖中的曲線(xiàn)，這有可能損壞整流管。第二個(gè)問(wèn)題，是進(jìn)線(xiàn)處的電壓將瞬間下降到Ov，如圖中之曲線(xiàn)所示C圖1-5高、低壓整流電路的區(qū)別（a）低壓整流電路（b）高壓整流電路（C）限流電路這兩個(gè)特點(diǎn)，高、低壓整流電路完全一樣。”張老師又畫(huà)了起來(lái)，如圖1-5。接著說(shuō)：“瞧，低壓整流電路是要通過(guò)變壓器來(lái)降壓的。變壓器的繞組是一個(gè)大電感，它猶如一個(gè)屏障，能對(duì)合閘時(shí)的沖擊電流起到限制作用，如圖（a）中的曲線(xiàn)。而變頻器的整流電路中，就沒(méi)有這樣的屏障，沖擊電流就要嚴(yán)重得多，如圖（b）中之曲線(xiàn)所示。至于進(jìn)線(xiàn)側(cè)的電壓波形，其實(shí)，在低壓整流電路中，變壓器的副方

10、電壓，也同樣要瞬間降到Ov的，如圖（a）中之曲線(xiàn)。但反映到變壓器的原方，這樣的瞬間降壓，就被緩沖了，如圖（a）中之曲線(xiàn)，對(duì)同一網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備不構(gòu)成干擾。變頻器整流電路中沒(méi)有這樣的緩沖，它進(jìn)線(xiàn)電壓就是電網(wǎng)電壓。所以，在合閘瞬間，電網(wǎng)電壓要降到Ov ,這將影響同一網(wǎng)絡(luò)中其他設(shè)備的正常工作，通常稱(chēng)之為干擾。所以，在整流橋和濾波電容之間，就需要接入一個(gè)限流電阻rl。至于它的原理，你該是明白的 吧？“我來(lái)試試看吧，”小孫鼓足了勇氣，說(shuō)：“接入了限流電阻后，非但減小了通電時(shí)的沖擊電流。并且，瞬間的電壓降，也都降到限流電阻上了，電源側(cè)的電壓波形也解決了，真是一舉兩得啊。等到電容器上的電壓上升到一定程度時(shí)，

11、再把限流電阻短路掉， 對(duì)吧？可是” 張老師正想夸贊小孫幾句，沒(méi)想到他又來(lái)了個(gè)“可是”，于是他耐心地等著小孫的下文。“我曾經(jīng)查看過(guò)幾臺(tái)變頻器， 發(fā)現(xiàn)短路器件（晶閘管或接觸器）的大小是隨變頻器的容量而變的，但限流電阻的阻值和容量卻差別不大，這是怎么回事呢？”“說(shuō)得好，也問(wèn)得好?！睆埨蠋煾吲d地夸贊了小孫幾句。圖1-6限流電路里的電流“我們通過(guò)具體例子來(lái)說(shuō)明?！睆埨蠋熞贿呎f(shuō)，一邊畫(huà)岀了圖1-6。然后說(shuō)：“我們分開(kāi)來(lái)說(shuō)吧。先看限流電阻rl。嚴(yán)格地說(shuō)，容量大的變頻器里，整流管的允許電流也較大。濾波電容的容量也要大一些，限流電阻的阻值應(yīng)該小一些，而容量（瓦數(shù)）應(yīng)該大一些。但是，讓我們舉一個(gè)例子來(lái)看一下。假設(shè)

12、所選用限流電阻的阻值rl = 50 ,那么，即使電源電壓等于振幅值Ulm = 1.41 × 380 = 537v ,最大的沖擊電流是多大呢？”“只有10a多一點(diǎn)?！毙O說(shuō)。“還有，假設(shè)濾波電容的電容量是5000 f ,充電時(shí)間有多長(zhǎng)呢？”小孫很快算了起來(lái)：t = r c = 50 × 5000 = 250000 S = 250ms= 0.25s“只有0.25s。”小孫抬起頭來(lái)，說(shuō)?！澳鞘浅潆姇r(shí)間常數(shù)，充電時(shí)間應(yīng)該是它的3倍到5倍。"張老師更正說(shuō)。“就是說(shuō)，充電時(shí)間大約是0.75s到1.25s之間，籠統(tǒng)一點(diǎn)說(shuō)，是Is左右吧。這樣的充電電流，和這樣的充電時(shí)間， 對(duì)于大

13、多數(shù)規(guī)格的變頻器來(lái)說(shuō)，都是可以接受的吧？所以，生產(chǎn)廠(chǎng)家為了減少另部件的種類(lèi)，采取了多種規(guī)格的變頻器選用同一規(guī)格限流電阻的做法。至于電阻的容量（瓦數(shù)），因?yàn)?rl中通電流的時(shí)間很短，只有Is,真正達(dá)到10a的時(shí)間更短。所以，一般說(shuō)來(lái)，容量只要不小于20w就可以了。再看旁路接觸器 km。還是用具體例子來(lái)說(shuō)明吧。假設(shè)電動(dòng)機(jī)容量是 7.5kw， 15.4a。配用變頻器的容量是13kva， 18a。一般說(shuō)來(lái)，直流回路的容量和變頻器的輸入容量應(yīng)該是相等的，當(dāng)電源電壓是380v時(shí)，直流電壓的平均值是513v ,那么，直流電流應(yīng)該有多大呢？ ”張老師看著小孫，問(wèn)。小孫會(huì)意，馬上在紙上算了起來(lái)：PDUD1300

14、0513=25 A“那就只有選標(biāo)稱(chēng)值為30a的接觸器了?！毙O不假思索說(shuō)?！耙?jiǎng)觿?dòng)腦筋么。你想，這里用接觸器的幾個(gè)觸點(diǎn)呀？”“啊，”小孫拍著自己的腦袋說(shuō)，“接觸器的三個(gè)觸點(diǎn)是可以并聯(lián)起來(lái)用的，那就只要10a的接觸器就可以了?！睆埨蠋熚⑿χc(diǎn)了點(diǎn)頭，又補(bǔ)充說(shuō)：“不過(guò)，要是用晶閘管的話(huà)，還是要用30a的。”張老師略頓了頓，接著又問(wèn)：“那么，要是電動(dòng)機(jī)容量是75kw, 139.7a。配用變頻器的容量是114kva，150a。該配用多大的接觸器呢？”word格式.整理版這回小孫心里有底了，他很快地算了起來(lái)： UP 5BA“應(yīng)該選額定電流為 80a的接觸器?！毙O肯定地說(shuō)?！八?，你剛才提的問(wèn)題不就解決

15、了嘛?！睆埨蠋熜ξ卣f(shuō)。“可是，限流電阻為什么會(huì)冒煙，并且燒斷呢？ ”小孫問(wèn)?！熬臀宜佑|到的情況而言，燒斷限流電阻的原因可能有三種?！睆埨蠋熣f(shuō)圖1 7 限流電阻的充電電流（a） rl = 80 Cf = 1000 f（b） rl = 40 > Cf = 1000 f（C） rl = 40 3、Cf = 2000 f“第一種可能，是限流電阻的容量選小了。因?yàn)樵谙蘖麟娮柚型ㄈ氲碾娏魇前粗笖?shù)規(guī)律衰減的，且持續(xù)時(shí)間很短，如圖17所示。所以，其容量可以選得小一些。為了降低元器件成本，有的變頻器生產(chǎn)廠(chǎng)家在決定限流電阻的容量時(shí)，常常取較小值。但實(shí)際上，流經(jīng)限流電阻的電流ir是和限流電阻的阻值 rl

16、以及濾波電容器的電容量Cf有關(guān)的。比較圖（a）和圖（b）知，rl 大:則電流的初始值較小，但電流的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。比較圖（b）和圖（C）知：Cf大，電流的持續(xù)時(shí)間將延長(zhǎng)。所以，嚴(yán)格地說(shuō)，rl的容量大小也應(yīng)該根據(jù)具體情況適當(dāng)調(diào)整。但如前所說(shuō)，用戶(hù)對(duì)濾波電容器的充電過(guò)程并無(wú)嚴(yán)格的要求。所以，對(duì)rl的阻值和容量也并無(wú)明確的規(guī)定。一般說(shuō)來(lái)，如選rl 50 3，Pr 50w是不會(huì)有問(wèn)題的。第二種可能，是濾波電容器變質(zhì)了。凡是有電解質(zhì)的器件，都有一個(gè)特點(diǎn)：你一直用它，它不容 易壞。你總也不用它，它倒要壞了。你那臺(tái)變頻器在倉(cāng)庫(kù)里存放了一年多才拿出來(lái)，你應(yīng)該先打開(kāi)蓋觀察一下濾波電容器，看它是否鼓包？甚至是否有電解

17、液漏岀？電解電容器變質(zhì)的特征，首先是漏電流增大。 一臺(tái)長(zhǎng)時(shí)間不用的變頻器，突然加上高電壓，電解電容器的漏電流可能是相當(dāng)大的。你第一次合上電源時(shí)， 變頻器內(nèi)冒煙，很可能就是電解電容器嚴(yán)重漏電，甚至已經(jīng)短路。而直流電壓難以充電到 450v以上，短路器件不動(dòng)作，限流電阻長(zhǎng)時(shí)間接在電路里，它當(dāng)然要冒 煙、燒斷了?！薄澳?，變頻器在倉(cāng)庫(kù)里時(shí)間放長(zhǎng)了，就報(bào)廢了？ ”小孫感到疑惑?！爱?dāng)然不是。長(zhǎng)時(shí)間不用的電解電容器，通電時(shí)，應(yīng)該先加約50%勺額定電壓，加壓時(shí)間應(yīng)在半小時(shí)以上，如圖1-8所示。它的漏電流就會(huì)降下去，也就可以正常使用了。220V450VWOO F>30min圖1-8長(zhǎng)期存放電容器的復(fù)原所以，

18、你回去以后，先用萬(wàn)用表測(cè)量一下電容器是否短路。如并未短路，外觀上也沒(méi)有異常，則如圖那樣，通電半小時(shí)以后，電容器將可以恢復(fù)。”“太好了！”小孫高興地說(shuō)。接著又問(wèn)：“您說(shuō)，電阻冒煙還有另一種可能性？ ”小孫接著問(wèn)?！暗谌N可能，就是旁路接觸器km或晶閘管沒(méi)有動(dòng)作。結(jié)果，使限流電阻長(zhǎng)時(shí)間接在電路里?！薄澳?，怎么來(lái)判斷旁路接觸器或晶閘管是否動(dòng)作了呢？ ”小孫問(wèn)?！芭月菲骷?yīng)該在濾波電容器已經(jīng)充電到一定程度（例如，電壓已經(jīng)超過(guò)450v）時(shí)動(dòng)作。因此,Ud上升到足夠大時(shí)，旁路器你可以在確認(rèn)濾波電容器完好的情況下，通電時(shí)，觀察當(dāng)直流電壓 件是否動(dòng)作?具體方法之一，是在限流電阻兩端并聯(lián)一個(gè)電壓表pv1 ,同時(shí)

19、在濾波電容兩端也接一個(gè)電壓表Pv2 ,再將兩個(gè)串聯(lián)的燈泡也接到濾波電容的兩端，作為負(fù)載，如圖1 9。通電后，如果 pv2顯示Ud已經(jīng)足夠大，但 pv1的讀數(shù)并不為Ov，就說(shuō)明旁路器件并未動(dòng)作?！眻D1 9旁路器件的動(dòng)作檢查(a)原理圖(b)外部接線(xiàn)圖“為什么要接兩個(gè)燈泡呢？ ”小孫問(wèn)?！澳鞘菫橹绷麟娐方右稽c(diǎn)負(fù)載。要是沒(méi)有負(fù)載的話(huà)，限流電阻內(nèi)將沒(méi)有電流，即使短路器件未動(dòng)作，限流電阻上也量不岀電壓呀?！薄斑€有一個(gè)問(wèn)題，”小孫拿了一張紙，畫(huà)了起來(lái)，然后問(wèn)：“我發(fā)現(xiàn)在濾波電容器兩端，還并聯(lián)了一個(gè)0.33 f的小電容，如圖1 10中和CO所示，那是為什么？”圖1 10抗干擾電容因?yàn)殡娊怆娙菥哂幸欢ǖ碾姼行再|(zhì)，它不能吸收時(shí)間很短的干擾電壓，容易導(dǎo)致“過(guò)電壓跳閘”的誤動(dòng)作。電容器 Co就是用來(lái)吸收干擾電壓的。1.4主控板上的電源指示燈“還有，我發(fā)現(xiàn)在主控板上有一個(gè)電源指示燈，為什么把它放在機(jī)箱里面，而不放在控制面板上呢？”小孫問(wèn)?！澳敲?，你每次開(kāi)機(jī)時(shí)，怎么知道變頻器是否通電？ ”張老師反問(wèn)“我是看變頻器的顯示屏上是否有顯示?！薄笆前?，顯示屏已經(jīng)顯示了通電與否，要是再把里面這個(gè)指示燈也放到面板上，豈非疊床架屋了？ ”張老師說(shuō)著，隨手又畫(huà)了個(gè)圖1 11圖1 11直流指示濾波電容“其實(shí)，里面的這個(gè)指示燈，主要不是顯示變頻器是否通電，而是顯示變