第六章《變頻器內部結構》

1、（內部資料（內部資料 注意保存）注意保存）中國工業(yè)自動化培訓網(wǎng)中國工業(yè)自動化培訓網(wǎng)變頻器原理應用維修變頻器原理應用維修變頻器原理應用維修變頻器原理應用維修6.1 變頻器的組成變頻器的組成 變頻器為了適應工程需要，要有一系列控制變頻器為了適應工程需要，要有一系列控制端子，要有操作面板，要能夠進行程序的讀出寫端子，要有操作面板，要能夠進行程序的讀出寫入，變頻器內部，為了進行工作時的保護，要設入，變頻器內部，為了進行工作時的保護，要設置相應的保護電路。置相應的保護電路。 變頻器結構框圖6.1.1主電路主電路整流電路、起動保護、濾波電路、逆變電路整流電路、起動保護、濾波電路、逆變電路 、指示電路、指示

2、電路 、制動單元、制動單元 、輸入端子、輸入端子、 輸出端子。輸出端子。 不同系列交-直-交變頻器內部的主體電路基本相同，變頻調速過程中出現(xiàn)的許多現(xiàn)象都可通過主體電路來進行分析。因此，熟悉主體電路的結構，透徹了解各部分的原理，具有十分重要的意義。一、交-直變換 交-直變換電路就是整流和濾波電路，其任務是把電源的三相（或單相）交流電變換成平穩(wěn)的直流電。由于整流后的直流電壓較高，且不允許再降低，因此，在電路結構上具有特殊性。1.整流電路VD1VD6整流二極管，c1、c2，濾波電容，RL，限流電阻。1 1、 全波整流電路全波整流電路在在SPWMSPWM變頻器中，大多采用橋式全波整流電路。在中、小變頻

3、器中，大多采用橋式全波整流電路。在中、小容量的變頻器中，整流器件采用不可控的整流二極管或二容量的變頻器中，整流器件采用不可控的整流二極管或二極管模塊，如圖中的極管模塊，如圖中的VD1-VD6VD1-VD6所示。所示。當三相線電壓為當三相線電壓為380V380V時，整流后的峰值電壓為時，整流后的峰值電壓為537V537V，平均，平均電壓為電壓為515V515V。* U2 是整流變壓器二次側額定相電壓的有效值。 當 0 0 ，晶閘管裝置處于整流狀態(tài)，電功率從交流側輸送到直流側； 當 /2 max 時， Ud0 0 ，裝置處于有源逆變狀態(tài)，電功率反向傳送。 為避免逆變顛覆，應設置最大的移相角限制。相

4、控整流器的電壓控制曲線如下圖 整流與逆變狀態(tài)相控整流器的電壓控制曲線 O通過設置控制電壓限幅值，來限制最大觸發(fā)角。 逆變顛覆限制 2 濾波及限流電路（1）濾波電路，即上圖中的CF1和CF2。由于受到電解電容的電容量和耐壓能力的限制，濾波電路通常由若干個電容器并聯(lián)成一組，又由兩個電容器組CF1和CF2串聯(lián)而成。因為電解電容的電容量有較大的離散性，故電容器組CF1和CF2的電容量常不能完全相等。其結果是各電容器組承受的電壓UD1和UD2不相等，使承受電壓較高一測的電容器組容易損壞。 為了使UD1和UD2相等，在CF1和CF2旁各并聯(lián)一個阻值相等的均壓電阻RC1和RC2。（2）限流電路，即如上圖中，

5、串接在整流橋和濾波電容器之間，由限流電阻RL和電路開關SL組成的并聯(lián)電路。限流電阻RL的作用是：變頻器在接入電源之前，濾波電容CF上的直流電壓UD=0。因此，當變頻器剛接入電源的瞬間，將有一個很大的沖擊電流經(jīng)過整流橋流向濾波電容，使整流橋可能因此而受到損壞。如果電容器的容量很大，還會使電源電壓瞬間下降而形成對電網(wǎng)的干擾。限流電阻RL就是為了削弱該沖擊電流而串接在整流橋與濾波電容之間的。短路開關SL的作用是：限流電阻RL如長期接在電路內，會影響直流電壓UD和變頻器輸出電壓的大小。所以，當UD增大到一定程度時，令短路開關SL接通，把RL切出電路。SL大多由晶閘管構成，在容量較小的變頻器中，也常有接

6、觸器或繼電器的觸點構成。 電源指示燈電源指示燈HLHL除了表示電源是否接通外，還有一個十分重要除了表示電源是否接通外，還有一個十分重要的功能，即在變頻器切斷電源后，表示濾波電容器的功能，即在變頻器切斷電源后，表示濾波電容器CFCF上的電上的電荷是否已經(jīng)釋放完畢。荷是否已經(jīng)釋放完畢。 由于由于CFCF的容量較大，而切斷電源又必須在逆變電路停止工作的容量較大，而切斷電源又必須在逆變電路停止工作的狀態(tài)下進行，所以的狀態(tài)下進行，所以CFCF沒有快速放電的回路，其放電時間往沒有快速放電的回路，其放電時間往往長達數(shù)分鐘。又由于往長達數(shù)分鐘。又由于CFCF上的電壓較高，如不放完，對人身上的電壓較高，如不放完

7、，對人身安全將構成威脅。故在維修變頻器時，必須等安全將構成威脅。故在維修變頻器時，必須等HLHL完全熄滅后完全熄滅后才能接觸變頻器內部的導電部分，所以，才能接觸變頻器內部的導電部分，所以，HLHL也具有提示保護也具有提示保護作用。作用。1 1、三相逆變橋電路、三相逆變橋電路逆變橋電路的功能是把直流電轉換成三相交流電，其工逆變橋電路的功能是把直流電轉換成三相交流電，其工作原理在本章第一節(jié)已經(jīng)說明。作原理在本章第一節(jié)已經(jīng)說明。逆變橋電路由下圖中的開關器件逆變橋電路由下圖中的開關器件V1-V6V1-V6構成。目前中小構成。目前中小容量的變頻器中，開關器件大部分使用容量的變頻器中，開關器件大部分使用I

8、GBTIGBT管。由圖中的VD7-VD12構成。其功能是：（1）為電動機繞組的無功電流返回直流電路時提供通路。（2）當頻率下降從而同步轉速下降時，為電動機的再生電能反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。3、緩沖電路（R01-R06、CO1-C06、VD01-VD06）逆變管在關斷和導通的瞬間，其電壓和電流的變化率是很大的，有可能使逆變管受到損害。因此，每個逆變管旁還應接入緩沖電路，以減緩電壓和電流的變化率。緩沖電路的結構因逆變管的特性和容量等的不同而有較大差異，下圖是比較典型的一種2-27。各元件的功能如下： （1 1）電容）電容C01-C06C01-C0

9、6。逆變管。逆變管V1-V6V1-V6每次由導通狀態(tài)轉換成截每次由導通狀態(tài)轉換成截止狀態(tài)的過程中，集電極（止狀態(tài)的過程中，集電極（C C極）和發(fā)射極（極）和發(fā)射極（E E極）之間的電極）之間的電壓壓UCEUCE將極為迅速地由近乎將極為迅速地由近乎0V0V上升至直流電壓值上升至直流電壓值UDUD。在此過。在此過程中，電壓增長率是很高的，將容易導致逆變管的損壞。程中，電壓增長率是很高的，將容易導致逆變管的損壞。C01-C06C01-C06的功能便是減小的功能便是減小V1-V6V1-V6在關斷時的電壓增長率在關斷時的電壓增長率 （2 2）電阻）電阻R01-R06R01-R06。V1-V6V1-V6每

10、次由截止狀態(tài)轉換為導通狀態(tài)每次由截止狀態(tài)轉換為導通狀態(tài)時，時，C01-C06C01-C06上所沖的電壓（等于上所沖的電壓（等于UDUD）將向）將向V1-V6V1-V6放電。放電放電。放電電流的初始值是很大的，并且將迭加到負載電流上，導致電流的初始值是很大的，并且將迭加到負載電流上，導致V1-V6V1-V6損壞。電阻損壞。電阻R01-R06R01-R06就是用來限制就是用來限制C01-C06C01-C06對對V1-V6V1-V6的放的放電電流的。電電流的。 （3 3）二極管）二極管VD01-VD02VD01-VD02。限流電阻。限流電阻R01-R06R01-R06的接入，又會影的接入，又會影響響

11、C01-C06C01-C06在在V1-V6V1-V6的關斷時限制電壓增長率的效果。的關斷時限制電壓增長率的效果。VD01-VD01-VD02VD02接入后，在接入后，在V1-V6V1-V6的關斷過程中，使的關斷過程中，使R01-R06R01-R06不起作用不起作用。1 1、能耗制動電路的作用、能耗制動電路的作用在變頻調速系統(tǒng)中，電動機的降速和停機，是通過逐漸減小頻率來實在變頻調速系統(tǒng)中，電動機的降速和停機，是通過逐漸減小頻率來實現(xiàn)的。在頻率剛減小的瞬間，電動機的同步轉速隨之下降，而由于機現(xiàn)的。在頻率剛減小的瞬間，電動機的同步轉速隨之下降，而由于機械慣性的原因，電動機的轉速未變。當同步轉速低于這

12、個轉速時，轉械慣性的原因，電動機的轉速未變。當同步轉速低于這個轉速時，轉子繞組切割磁力線的方向相反了，轉子電流的相位幾乎改變了，使電子繞組切割磁力線的方向相反了，轉子電流的相位幾乎改變了，使電動機處于發(fā)電狀態(tài)，也稱為再生制動狀態(tài)。動機處于發(fā)電狀態(tài)，也稱為再生制動狀態(tài)。電動機再生的電能經(jīng)下圖中的續(xù)流二極管（電動機再生的電能經(jīng)下圖中的續(xù)流二極管（VD7-VD12VD7-VD12）全波整流后反）全波整流后反饋到直流電路中，由于直流電路的電能無法回輸給電網(wǎng)，只能由饋到直流電路中，由于直流電路的電能無法回輸給電網(wǎng)，只能由CF1CF1和和CF2CF2吸收，使直流電壓升高，稱為吸收，使直流電壓升高，稱為“泵

13、升電壓泵升電壓”。過高的直流電壓。過高的直流電壓將使變流器件受到損害。因此，當直流電壓超過一定值時，就要求提將使變流器件受到損害。因此，當直流電壓超過一定值時，就要求提供一條放電回路，將再生的電能消耗掉。這一條放電回路，就是能耗供一條放電回路，將再生的電能消耗掉。這一條放電回路，就是能耗制動電路。制動電路。 能耗電路由制動電阻能耗電路由制動電阻RBRB和制動單元和制動單元BVBV構構成，如圖所示。電阻能耗制動采用的方成，如圖所示。電阻能耗制動采用的方法是在變頻器直流側加放電電阻單元組法是在變頻器直流側加放電電阻單元組件，將再生電能消耗在功率電阻上來實件，將再生電能消耗在功率電阻上來實現(xiàn)制動。這

14、是一種處理再生能量的最直現(xiàn)制動。這是一種處理再生能量的最直接的辦法，它是將再生能量通過專門的接的辦法，它是將再生能量通過專門的能耗制動電路消耗在電阻上，轉化為熱能耗制動電路消耗在電阻上，轉化為熱能能 制動電阻制動電阻RBRB用于消耗掉直流電路中的多余電能，直流電壓保用于消耗掉直流電路中的多余電能，直流電壓保持平穩(wěn)。持平穩(wěn)。 制動單元制動單元BVBV的功能是控制放電回路的工作。具體地說，當直的功能是控制放電回路的工作。具體地說，當直流回路的電壓流回路的電壓UDUD超過規(guī)定的限值時，超過規(guī)定的限值時，VBVB導通，使直流回路通導通，使直流回路通過過RBRB釋放能量，降低直流電壓。而當釋放能量，降低

15、直流電壓。而當UDUD在正常范圍內時，在正常范圍內時，BVBV將可靠截止，以避免不必要的能量損失。將可靠截止，以避免不必要的能量損失。 將上述各部分電路匯總后成為主電路，如下圖所示。將上述各部分電路匯總后成為主電路，如下圖所示。1）逆變原理下面分析怎樣將一個直流電變?yōu)檎也ǖ膯栴}。采樣原理 PWM技術的理論基礎是采樣控制理論中的面積采樣控制理論中的面積等效控制原理。即：加在等效控制原理。即：加在慣性環(huán)節(jié)上的窄脈沖，盡慣性環(huán)節(jié)上的窄脈沖，盡管形狀不同，只要面積相管形狀不同，只要面積相等，其作用在慣性環(huán)節(jié)上等，其作用在慣性環(huán)節(jié)上的效果相同（慣性環(huán)節(jié)就的效果相同（慣性環(huán)節(jié)就是電感、電容）。是電感、電

16、容）。脈寬調制波脈寬調制波SPWMSPWM：將一個正弦波電壓分為：將一個正弦波電壓分為N N等份，并把正弦曲線每一等份，并把正弦曲線每一等份所包圍的面積都用一個與其面積相等的等幅矩形脈沖來代替，脈等份所包圍的面積都用一個與其面積相等的等幅矩形脈沖來代替，脈沖的寬度與正弦波的大小成正比，這樣得到的脈沖列，就是沖的寬度與正弦波的大小成正比，這樣得到的脈沖列，就是SPWMSPWM波。波。 實際應用中實際應用中SPWMSPWM波的形成波的形成： 調制方法：調制方法： 利用載波和調制波相比較方式來確定脈寬和間隔。利用載波和調制波相比較方式來確定脈寬和間隔。 調制波調制波u ur r： 所希望生成的等效正

17、弦波所希望生成的等效正弦波 載波載波u uc c： 等腰三角波或鋸齒波等腰三角波或鋸齒波2)sPWM波的生成波的生成 按照調制脈沖的極性關系，PWM逆變電路的控制方式分為：單極性控制單極性控制: 任一時刻載波與調制波的極性相同，在任意半個周期SPWM波單方向變化 ；正半周：ur uc時，有脈沖；ur uc時，無脈沖。副半周： ur uc時，有脈沖；ur uc時，無脈沖。 2)雙極性控制雙極性控制：載波雙方向變化，在任意半個周期SPWM波雙方向變化； ur uc時，正脈沖； ur uc時，負脈沖3)三相逆變波形加在6只逆變管上的信號都為開關信號，6只逆變管就相當于6個開關，管子導通相當于開關閉合

18、，截止時相當于開關斷開。 常用電力電子器件的類型常用電力電子器件的類型1.按器件能夠被控制電路信號所控制的程度分按器件能夠被控制電路信號所控制的程度分1）不可控器件不可控器件不能用控制信號來控制其通斷。如電力二極管（Power Diode），器件的通和斷是由其在主電路中承受的電壓和電流決定。1）二極管）二極管二極管是單向導電器件，二極管是單向導電器件，加正向電壓，導通，加正向電壓，導通，相當開關閉合；加反相當開關閉合；加反向電壓，截止，相當向電壓，截止，相當于開關斷開于開關斷開2）半控型器件半控型器件通過控制信號可以控制其導通而不能控制其關斷。如晶閘管Thyristor及其大部分派生器件，器件

19、的關斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定。3）全控型器件全控型器件通過控制信號既可控制其導通又可控制其關斷，又稱自關斷器件。如絕緣柵雙極晶體管IGBT、功率、門極可關斷晶閘管GTO等。2.按驅動電路加在器件控制端和公共端之間信號的按驅動電路加在器件控制端和公共端之間信號的性質分性質分 1）電流驅動型 通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導通或者關斷的控制。常見的有普通晶閘管、門極可關斷晶閘管GTO等。2）電壓驅動型通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號來實現(xiàn)導通或者關斷的控制。電壓驅動型器件實際上是通過加在控制端上的電壓在器件的兩個主電路端子之間產生可控的電場來改變流過器件的電流大小和通斷狀

20、態(tài)，所以又稱為場控器件或場效應器件。常見的有功率場效應晶體管MOSFET、絕緣柵雙極晶體管IGBT等3.按器件內部電子和空穴兩種載流子參與導電的情按器件內部電子和空穴兩種載流子參與導電的情況分況分1）單極型器件只有一種載流子參與導電的器件，常見的單極型器件有功率場效應晶體管MOSFET和靜電感應晶體管SIT。2）雙極型器件由電子和空穴兩種載流子參與導電的器件，常見的雙極型器件有晶閘管（包括普通晶閘管SCR、雙向晶閘管TRIAC、逆導晶閘管RCT、非對稱晶閘管ASCR、功率晶體管GTR、門極可關斷晶閘管GTO、靜電感應晶閘管SITH。3）復合型器件由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件，一般

21、是以普通晶閘管、GTR或GTO為主導元件，以MOSFET為控制元件復合而成的。常見的復合型器件有絕緣柵型雙極型晶體管IGBT、MOS控制晶閘管MCT以及功率集成電路。圖圖6-1 電力電子器件分類樹電力電子器件分類樹1.晶閘管的結構晶閘管的結構 晶閘管的外形、內部結構和電氣圖形符號，如圖6-2所示。 圖6-2 晶閘管的外形、內部結構和電氣圖形符號2.晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理 為了說明晶閘管的導電原理，可按如下圖所示的電路做一個簡單的實驗。3.晶閘管的導通條件晶閘管的導通條件 從上述實驗可以看出，晶閘管導通必須同時具備兩個條件： （1）晶閘管陽極電路加適當?shù)恼螂妷海?（2）門極電路加適當

22、的正向電壓（實際工作中，門極加正觸發(fā)脈沖信號），且晶閘管一旦導通，門極將失去控制作用。晶閘管的雙晶體管模型可以用一對互補三極管代替晶閘管的等效電路來解釋，如下圖所示。 按照上述等效原則，可將圖（a）中的結構圖改畫為圖2-4（b）中的電路圖，并用V1和V2管代替晶閘管。4、晶閘管的工作狀態(tài)、晶閘管的工作狀態(tài) 晶體管的特性是在低發(fā)射極電流下電流放大系數(shù)很小，而當發(fā)射極電流建立起來之后，迅速增大?？梢杂纱藖碚f明晶閘管的幾種工作狀態(tài)：（1）正向阻斷。（2）觸發(fā)導通。（3）晶閘管關斷。（4）反向阻斷。晶閘管的動態(tài)特性 晶閘管開通和關斷過程的波形圖，如圖所示。2、功率晶體管、功率晶體管 功率晶體管（Gia

23、nt Transistor，簡稱為GTR）也稱為電力晶體管PTR，是一種具有發(fā)射極E、基極B、集電極C的耐高電壓、大電流的雙極型晶體管，有NPN和PNP兩種結構，故又稱為雙結型晶體管（Bipolar Junction Transistor，簡稱為BJT）。它既有晶體管的固有特性，又擴大了功率容量。GTR的缺點是耐沖擊能力差，易受二次擊穿而損壞。2.1 GTR的結構和工作原理的結構和工作原理 GTR是一種雙極型半導體器件，即其內部電流由電子和空穴兩種載流子形成。其基本結構有NPN和PNP兩種。而在電力電子電路中主要采用NPN結構。為了提高GTR的耐壓，一般采用NPN三重擴散結構，如圖所示。2.G

24、TR的基本特性的基本特性 GTR的基本特性包括輸出特性、動態(tài)特性、主要參數(shù)和安全工作區(qū)等 1）GTR的輸出特性 共發(fā)射極接法時，GTR的輸出特性，如圖所示。共發(fā)射極接法時GTR的輸出特性2）GTR的動態(tài)特性 GTR的動態(tài)特性與晶閘管類似，但GTR作為高頻開關使用，經(jīng)常處于開通和關斷的動態(tài)過程中。因此，對GTR的開關特性要重視，如圖所示為GTR開通和關斷過程中的電流波形。圖 GTR開通和關斷過程中的電流波形3、 功率場效應晶體管功率場效應晶體管 功率場效應晶體管（Metal Oxide Semiconductor FET ，簡稱為MOSFET），與小功率場效應晶體管（Field Effect T

25、ransistor，簡稱為FET）一樣，也分為結型和絕緣柵型，但通常主要指絕緣柵型中的MOS型。結型電力場效應晶體管一般稱為靜電感應晶體管（Static Induction Transistor，簡稱為SIT）。功率MOSFET是一種單極型電壓控制器件，用柵極電壓來控制漏極電流，驅動電路簡單、需要的驅動功率小、開關速度快、工作頻率高、熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR，但電流容量小、耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。1.功率功率MOSFET的種類、結構和工作原理的種類、結構和工作原理 1）功率MOSFET的種類 功率MOSFET按導電溝道可分為P溝道類型和N溝道類型。N溝道中主要載流子是電

26、子，P溝道中主要載流子是空穴。其中每一類又可分為增強型和耗盡型兩種。 功率MOSFET的漏極D、柵極G和源極S分別類似于晶體管中的集電極、基極和發(fā)射極。幾種常用的功率場效應晶體管的外形如圖所示。 幾種功率MOSFET的外形 2）功率MOSFET的結構 功率MOSFET的結構和電氣圖形符號，如圖所示。圖功率MOSFET的結構和電氣圖形符號 3）功率MOSFET的工作原理 功率MOSFET是利用柵源電壓的大小來改變半導體表面感生電荷的大小，從而控制漏極電流的大小。其工作過程可分為： （1）關斷。 （2）導通。2.功率功率MOSFET的基本特性的基本特性 1）功率MOSFET的靜態(tài)特性 圖 功率MO

27、SFET的靜態(tài)特性 2）功率MOSFET的動態(tài)特性 功率MOSFET開通、關斷過程的波形，如圖所示。 功率MOSFET的動態(tài)特性波形 （1）功率MOSFET的開通過程。開通過程包括開通延遲時間td(on)、上升時間tr和開通時間ton。 （ 2）功率MOSFET的關斷過程。關斷過程包括關斷延遲時間td(off) 、下降時間tf和關斷時間toff。 （3）功率MOSFET的開關速度。MOSFET的開關速度和柵極輸入電容Cin充放電有很大關系。4、 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 GTR的特點是雙極型電流驅動器件，有電導調制效應、通流能力很強等特點，但開關速度較低、所需驅動功率大、驅動電路復雜。

28、MOSFET的優(yōu)點是單極型電壓驅動器件，開關速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好、所需驅動功率小而且驅動電路簡單。 1.IGBT的結構和工作原理的結構和工作原理 IGBT的開關速度低于功率MOSFET，但明顯高于GTR。IGBT在關斷時不需要負柵壓來減少關斷時間，但關斷時間隨柵極和發(fā)射極并聯(lián)電阻的增加而增加。IGBT的開啟電壓約34 V，和MOSFET相當。IGBT導通時飽和壓降比功率MOSFET低而和GTR接近，飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。 1）IGBT的結構 IGBT也是三端器件，它的三個極分別為柵極G、集電極C和發(fā)射極E。如圖2-16所示為IGBT內部結構斷面示意圖。 IGBT內部結構斷面

29、示意圖 IGBT也是多元集成結構，每個IGBT的簡化等效電路和電氣圖形符號，如圖所示。 圖 IGBT的簡化等效電路和電氣圖形符號 2）IGBT的工作原理 IGBT的驅動原理與電力MOSFET基本相同，它是場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。給柵極施加正向電壓后，MOSFET導通，從而給PNP晶體管提供了基板電流使其導通。給柵極施加反向電壓后，MOSFET關斷，使PNP晶體管基極電流為零而截止。其具體工作過程如下： （1）導通。uGE大于開啟電壓UGE（th）時，MOSFET內形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通。此時由于電導調制效應使電阻RN減小，使高耐壓的IGBT也有低的通態(tài)壓降。

30、 （2）關斷。柵射極間施加反向電壓或不加電壓時，MOSFET內的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷。2 2）絕緣柵雙極晶體管（）絕緣柵雙極晶體管（IGBTIGBT）結構及外形結構及外形IGBTIGBT是是MOSMOS和和GTRGTR取長補短相結合的產物，具有柵極取長補短相結合的產物，具有柵極G G、集電極、集電極C C、和發(fā)、和發(fā)射極射極E E的三個引出端。的三個引出端。工作特點：工作特點：當當uGEUGE(th)（開啟電壓）時，（開啟電壓）時，IGBT截止，無截止，無iC；當當uGEUGE(th) 時，時，uCE加正壓，加正壓，IGBT導通，其輸出電流導通，其輸出電流iC與驅與驅

31、動電壓動電壓uGE基本呈線形關系。如基本呈線形關系。如圖所示為圖所示為IGBT的驅動電壓的驅動電壓uGE與輸出電流與輸出電流iC的關系，此曲線稱的關系，此曲線稱為為IGBT的轉移特性曲線。的轉移特性曲線。參數(shù)：參數(shù)：IGBT工作時，工作時，UGE導通導通電壓電壓15V、關斷電壓、關斷電壓-5V。開。開關頻率小于關頻率小于100kHz。 6.1.26.1.2控制電路 1.1.輸入端隔離電路輸入端隔離電路 變頻器有一系列的輸入端子，這變頻器有一系列的輸入端子，這些輸入端子和些輸入端子和CPUCPU是通過隔離電路是通過隔離電路聯(lián)系的。輸入端隔離電路出了問聯(lián)系的。輸入端隔離電路出了問題，影響端子的正常

32、輸入，因為題，影響端子的正常輸入，因為每個輸入端子獨立連接一只光電每個輸入端子獨立連接一只光電耦合器，哪一只光電耦合器出了耦合器，哪一只光電耦合器出了問題，那一路輸入端子不能正常問題，那一路輸入端子不能正常工作。工作。 2.I-U2.I-U轉換電路轉換電路 該電路是模擬該電路是模擬輸入電壓、電輸入電壓、電流、以及模擬流、以及模擬輸出指示端子輸出指示端子的轉換電路。的轉換電路。該電路出了問該電路出了問題，會影響這題，會影響這幾路信號的正幾路信號的正常工作。常工作。 3.DC/DC3.DC/DC電源電源 這是變頻器除了主電這是變頻器除了主電路之外所有電路的供路之外所有電路的供電電源。它出了故障，電

33、電源。它出了故障，整個變頻器停止工作。整個變頻器停止工作。因為該電源的輸出端因為該電源的輸出端是分組輸出，哪一組是分組輸出，哪一組出了問題，影響那一出了問題，影響那一組所對應的電路。組所對應的電路。 開關電源電路 開關電源電路向操作面板、主控板、驅動電路及風機等電路提供低壓電源。圖2.5富士G11型開關電源電路組成的結構圖。 直流高壓P端加到高頻脈沖變壓器初級端，開關調整管串接脈沖變壓器另一個初級端后，再接到直流高壓N端。開關管周期性地導通、截止，使初級直流電壓換成矩形波。由脈沖變壓器耦合到次級，再經(jīng)整流濾波后，獲得相應的直流輸出電壓。它又對輸出電壓取樣比較，去控制脈沖調寬電路，以改變脈沖寬度

34、的方式，使輸出電壓穩(wěn)定。 開關電源電路圖開關電源電路圖圖中圖中L1L1為一次電路，為一次電路，L2L2、L3L3、L4L4、L5L5為二次電路，工作時一次電路導通，二為二次電路，工作時一次電路導通，二次電路截止，一次電路截止時，二次電路導通。二次電路的輸出電壓由開關次電路截止，一次電路截止時，二次電路導通。二次電路的輸出電壓由開關管的脈沖寬度調節(jié)。管的脈沖寬度調節(jié)。開關電源容易損壞的元件是濾波電容、整流二極管、開關管。開關電源容易損壞的元件是濾波電容、整流二極管、開關管。 4.4.過壓過壓/ /欠壓保護電路欠壓保護電路 該電路是直流母線電該電路是直流母線電壓的檢測電路，檢測壓的檢測電路，檢測直

35、流母線欠壓或過壓。直流母線欠壓或過壓。該電路出了問題，一該電路出了問題，一是不能正確的提供檢是不能正確的提供檢測保護信號，產生誤測保護信號，產生誤報；二是失去保護功報；二是失去保護功能，使制動電阻不能能，使制動電阻不能工作，引起主電路過工作，引起主電路過壓而損壞。壓而損壞。 5.5.驅動電路驅動電路 該電路是將該電路是將CPUCPU輸出輸出的的PWMPWM信號進行放大，信號進行放大，驅動驅動IGBTIGBT開關工作。開關工作。該電路和主電路緊該電路和主電路緊密相連，是很重要，密相連，是很重要，又容易出故障的一又容易出故障的一部分電路部分電路1）驅動電路隔離放大、驅動放大電路、驅動電路電源光耦隔

36、離電路圖中IC為PWM輸出和驅動電路的隔離電路。當驅動電路損壞不至于將故障擴大到PWM發(fā)生電路。V1為第一級放大；V2、V3為輸出跟隨器，提高輸出能力。圖中穩(wěn)壓管DZ使電源電壓穩(wěn)定在20V。注：隔離電路中的光耦隔離集成塊容易損壞。 2 2）驅動電路和電源的連接）驅動電路和電源的連接電路作用：為驅動電路提供直流電源。該電路由一只電路作用：為驅動電路提供直流電源。該電路由一只5V5V穩(wěn)壓穩(wěn)壓管取得管取得5V5V電源，加在電源，加在IGBTIGBT開關管的發(fā)射極上，使驅動信號開關管的發(fā)射極上，使驅動信號在零時，保證在零時，保證IGBTIGBT控制極為控制極為5V5V的負電壓，使管子可靠的截的負電壓，

37、使管子可靠的截止。止。該電源需要該電源需要4 4組，三個帶浮地，一個直接接地。該電源由變組，三個帶浮地，一個直接接地。該電源由變頻器的頻器的DC/DCDC/DC直流電源提供。直流電源提供。6.保護電路保護電路 是保護逆變橋過是保護逆變橋過流、過壓、過載流、過壓、過載等的保護電路。等的保護電路。它由檢測、放大、它由檢測、放大、模模/ /數(shù)轉換等電路數(shù)轉換等電路組成。該電路出組成。該電路出了故障，一是誤了故障，一是誤報；二是失去保報；二是失去保護功能，造成逆護功能，造成逆變橋的損壞。變橋的損壞。這部分電路把從DSP輸出的6路PWM波經(jīng)過電平提升、光電隔離后送到IGBT的驅動模塊上。同時接收驅動模塊

38、提供的過流保護信號。由驅動模塊來的過流保護信號也經(jīng)過了光電隔離。由驅動模塊來的“過流保護信號”及從電樞電流采樣電路來的“過流告警信號”都將關斷PWM波。并且母線電壓過壓告警信號也將關斷PWM波。如果發(fā)生了“關斷PWM波”的事件，還將把故障類型通過編碼后送到DSP的I/O端口上。以便DSP判斷故障類型 1 1）電流檢測電路）電流檢測電路 通過檢測變頻器的輸出電通過檢測變頻器的輸出電流，進行過流、過載計算，流，進行過流、過載計算，當判斷為過流、過載，立當判斷為過流、過載，立即封鎖變頻器的輸出脈沖，即封鎖變頻器的輸出脈沖，使使PWMPWM電路停止工作。電路停止工作。R121R121為檢測電阻，檢測電

39、為檢測電阻，檢測電流為流為1A1A。 ( (檢測電流為檢測電流為100A,R121100A,R121為為0.015 )0.015 )。 2 2）直流電壓檢測電路）直流電壓檢測電路 為保證電網(wǎng)電壓變化時，為保證電網(wǎng)電壓變化時，仍能保證仍能保證U/f=CU/f=C的控制方的控制方式，由該電路實時檢測式，由該電路實時檢測直流電路的電壓直流電路的電壓U Ud d, ,根據(jù)根據(jù)U Ud d的變化調整的變化調整PWMPWM波的占波的占空比空比。 7.7.操作面板操作面板 操作面版是采用接操作面版是采用接插件連接，接觸不插件連接，接觸不良，會引起個別功良，會引起個別功能消失，供電不良能消失，供電不良會引起黑

40、屏。個別會引起黑屏。個別功能部件失靈，可功能部件失靈，可能是按鍵接觸虛。能是按鍵接觸虛。 8.8.開路集電極輸出端子開路集電極輸出端子 該端子由隔離電路（與該端子由隔離電路（與CPUCPU隔離）。因為使用隔離）。因為使用的原因損壞率較高。一的原因損壞率較高。一般屬于開路晶體管過流般屬于開路晶體管過流所致。判斷較容易，因所致。判斷較容易，因為其他幾路如果是好的，為其他幾路如果是好的，只此一路有問題，可斷只此一路有問題，可斷定該只管子有問題；如定該只管子有問題；如果各只管子都有問題，果各只管子都有問題，則可能問題出在單片機。則可能問題出在單片機。 9.9.故障接點開關故障接點開關 該開關主要為變頻

41、該開關主要為變頻器的故障報警用，器的故障報警用，當變頻器出現(xiàn)故障當變頻器出現(xiàn)故障時，該端子輸出故時，該端子輸出故障信號。障信號。10.10.單片機單片機單片機又稱單片機又稱CPUCPU，是整個變頻器，是整個變頻器的核心器件，如同人的大腦，的核心器件，如同人的大腦，輸出各種控制信號和處理輸入、輸出各種控制信號和處理輸入、檢測等信號。檢測等信號。CPUCPU是集成電路，又經(jīng)過層層保是集成電路，又經(jīng)過層層保護，故障率很低。正常工作時護，故障率很低。正常工作時的損壞率很低，雷擊、變頻器的損壞率很低，雷擊、變頻器電源引起的過壓、工作環(huán)境潮電源引起的過壓、工作環(huán)境潮濕、靜電感應等可能引起損壞。濕、靜電感應

42、等可能引起損壞。在故障維修時，沒有充分的理在故障維修時，沒有充分的理由，不要輕易懷疑單片機有問由，不要輕易懷疑單片機有問題。因為單片機有問題，就得題。因為單片機有問題，就得換主板。換主板。 11.16MHz11.16MHz晶振晶振 晶振是晶振是CPUCPU的主頻震蕩器震蕩器件。它不是一個很耐用的的主頻震蕩器震蕩器件。它不是一個很耐用的器件。在眾多的電子設備中，晶振的損壞時有發(fā)生。因為器件。在眾多的電子設備中，晶振的損壞時有發(fā)生。因為他的結構是兩個金屬片中夾著一塊晶體，晶體怕震、怕氧他的結構是兩個金屬片中夾著一塊晶體，晶體怕震、怕氧化。晶振出了問題，整個變頻器都不能正常工作?；?。晶振出了問題，整

43、個變頻器都不能正常工作。晶振結構-溫度傳感器接口電路。由于電機控制要求中經(jīng)常要檢測定子的溫升及功率模塊的溫升。本控制板設計了四路溫度傳感器接口電路，它可以直接連接模擬電壓量輸出的溫度傳感器。它實際上是四路基準可調，放大倍數(shù)也可調的放大器。接到DSP的A/D輸入端。-速度檢測電路 以裝在異步電動軸機上的速度檢測器 (TG、PLG等)的信號為速度信號，送入運算回路，根據(jù)指令和運算可使電動機按指令速度運轉-主控板上通信電路 當變頻器由可編程（PLC）或上位計算機、人機界面等進行控制時，必須通過通信接口相互傳遞信號 變頻器通信時，通常采用兩線制的RS485接口。西門子變頻器也是一樣。兩線分別用于傳遞和

44、接收信號。變頻器在接收到信號后傳遞信號之前，這兩種信號都經(jīng)過緩沖器A1701、75176B等集成電路，以保證良好的通信效果。 所以，變頻器主控板上的通信接口電路主要是指這部分電路，還有信號的抗干擾電路以上電路中，外圍電路全部采用15V供電，核心電路采用5V供電。DSP采用3.3V供電。兩套電源是徹底隔離的。 6.26.2高壓變頻器主電路拓補結構高壓變頻器主電路拓補結構 按照電壓的劃分，低于按照電壓的劃分，低于1kV1kV，稱為低壓；大于，稱為低壓；大于lkVlkV、小于、小于10kV,10kV,稱為中壓，稱為中壓，10kV10kV以上，稱為高壓。以上，稱為高壓。 我們習慣上把額定電壓為我們習慣

45、上把額定電壓為6kV6kV或或3kV3kV的電動機稱為的電動機稱為“高壓電高壓電動機動機”，因此，我們也把工作電壓在，因此，我們也把工作電壓在1 1lOkVlOkV的變頻器統(tǒng)的變頻器統(tǒng)稱為中稱為中( (高高) )壓變頻器。壓變頻器。 中（高）壓變頻器因為工作電壓升高，開關器件因為中（高）壓變頻器因為工作電壓升高，開關器件因為受到耐壓的限制，不能完全承受電源的高電壓，使主電路受到耐壓的限制，不能完全承受電源的高電壓，使主電路和低壓變頻器有了很大的區(qū)別。為了使變頻器能工作在高和低壓變頻器有了很大的區(qū)別。為了使變頻器能工作在高電壓，人們研究出了多種不同的電路結構。電壓，人們研究出了多種不同的電路結構

46、。 1.1.高高- -低低- -高變頻器高變頻器 它是把電網(wǎng)的高壓或中壓經(jīng)降壓變壓器降為低壓，它是把電網(wǎng)的高壓或中壓經(jīng)降壓變壓器降為低壓，通過低壓變頻器變頻，然后再經(jīng)升壓變壓器將低通過低壓變頻器變頻，然后再經(jīng)升壓變壓器將低壓升為中壓，供給電動機運行。實際上這種電路壓升為中壓，供給電動機運行。實際上這種電路結構所用的變頻器為低壓變頻器。結構所用的變頻器為低壓變頻器。 2.2.高高中型中型 高高中型變頻器是把電網(wǎng)的高壓經(jīng)降壓變壓器中型變頻器是把電網(wǎng)的高壓經(jīng)降壓變壓器 降為中壓，送入中壓變頻器，中壓變頻器的輸出降為中壓，送入中壓變頻器，中壓變頻器的輸出驅動電動機。驅動電動機。 功率單元串聯(lián)高壓變頻器功率單元串聯(lián)高壓變頻器 功率單元串聯(lián)高壓變頻器，屬于功率單元串聯(lián)高壓變頻器，屬于“高高中型中型”變頻器。主變頻器。主電路是利用移相變壓器降