變頻器初級(jí)培訓(xùn)系列之一 變頻器主電路

變頻器主電路

變頻調(diào)速初級(jí)培訓(xùn)系列之一電氣工程學(xué)院臧義簡(jiǎn)介本節(jié)目標(biāo)：了解變頻器主電路中，交流-直流變換實(shí)際電路的知識(shí)了解變頻器使用的一些常識(shí)目錄整流電路的結(jié)構(gòu)變頻器的濾波電路均壓電阻的選擇限流電阻的作用主控板上的指示燈變頻器基礎(chǔ)知識(shí)—背景小孫是某公司的電氣工程師，多年來從事電子設(shè)備的維修工作。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。誰知一通電，就發(fā)現(xiàn)冒煙，立刻切斷了電源。把蓋打開后，發(fā)現(xiàn)有一個(gè)電阻很燙。小孫想在開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？”聽完了小孫的情況介紹后，張老師問?！按蠹s一年多一點(diǎn)?！薄拔抑懒恕！睆埨蠋熜赜谐芍竦卣f?！霸诜治鲭娮杳盁煹脑蛑埃纫宄冾l器里整流濾波電路的特點(diǎn)。”“老師，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？”交－直－交變頻器的基本結(jié)構(gòu)圖1-1交－直－交變頻器框圖電網(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’，才便于控制。不能憑空而變，只能從另一種能源變過來。這‘另一種能源’，便是直流電。

交－直－交變頻器的基本結(jié)構(gòu)因此，交－直－交變頻器的工作可分為兩個(gè)基本過程：（1）交－直變換過程就是先把不可調(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－交變換過程就是反過來又把直流電“逆變”成電壓和頻率都任意可調(diào)的三相交流電。剛才說的那臺(tái)變頻器的問題，判斷是出在哪里？1．交－直變換電路“所謂交－直變換電路就是整流和濾波。在低壓電路里，哪種濾波方式效果最好？”

“應(yīng)該是π形濾波?！薄翱墒牵冾l器里卻不能用π形濾波。”

“只要比較一下這兩種整流濾波電路的區(qū)別就能明白！”

濾波電路穩(wěn)壓電源用π形濾波π形濾波在電路里要串聯(lián)一個(gè)電感L或電阻R的。不管串聯(lián)什么，它總要產(chǎn)生一個(gè)電壓降ΔU，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有關(guān)系的，如果覺得UD2太小了，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。”濾波電路變頻器不用π形濾波變頻器前面沒有變壓器，不可能提高電壓?！翱墒牵詾橛幸稽c(diǎn)電壓降不行嗎？“不行！因?yàn)樽冾l器要求后面逆變出來的三相交流電，在50Hz時(shí)的電壓應(yīng)該和前面的電源電壓一樣大。所以，變頻器里只能用電容器濾波。濾波電路—串聯(lián)電容“好象是用兩組電容器串聯(lián)起來的，為什么呢？”主要是生產(chǎn)水平的問題！目前普通電解電容器的最高耐壓只有500V左右。

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)行過程中允許的最高直流電壓可達(dá)（700～800）V。所以，只能用兩組電容器串聯(lián)來解決。

均壓電阻打開變頻器，每個(gè)電容器旁邊，都并聯(lián)一個(gè)電阻，叫均壓電阻。它們的電阻值很大，約為幾十kΩ，而瓦數(shù)卻不大，好象只有10W左右，它們?cè)趺雌鸬骄鶋鹤饔茫?/p>

均壓電阻的作用圖中RC1和RC2的阻值相等如果兩個(gè)電容器組上的電壓不相等兩個(gè)電容的充電電流為：這樣，電容器C2上要多充一些電，UC2就得到了提高。結(jié)果是UC1和UC2趨向于均衡＞均壓電阻的瓦數(shù)均壓電阻的功率如何選擇？“電壓值按多大算呢？”“每個(gè)電容器上的平均電壓按300V算。”“電阻呢？要大些還是小些？選擇30kΩ

實(shí)際電路中10W是綽綽有余！電路參數(shù)的選擇，都是有據(jù)可依的！限流電阻的作用回到最初的問題，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有的。它起什么作用？這需要從整流和濾波的基本過程來分析！合上電源前，電容器上是沒有電荷的，電壓為0V，而電容器兩端的電壓又是不能突變的。就是說，在合閘瞬間，整流橋兩端（P、N之間）相當(dāng)于短路。限流電阻的作用因此，在合上電源時(shí)，就出現(xiàn)了兩個(gè)問題：第一個(gè)問題，是有很大的沖擊電流，如圖中的曲線①，這有可能損壞整流管。第二個(gè)問題，是進(jìn)線處的電壓將瞬間下降到0V，如圖中之曲線②所示。限流電阻的作用這兩個(gè)特點(diǎn)，高、低壓整流電路完全一樣。低壓整流電路是要通過變壓器來降壓的。變壓器的繞組是一個(gè)大電感，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①。限流電阻的作用而變頻器的整流電路中，就沒有這樣的屏障，沖擊電流就要嚴(yán)重得多，如圖（b）中之曲線①所示。限流電阻的作用至于進(jìn)線側(cè)的電壓波形，其實(shí)，在低壓整流電路中，變壓器的副方電壓，也同樣要瞬間降到0V的，如圖（a）中之曲線②。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③，對(duì)同一網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備不構(gòu)成干擾。限流電阻的作用變頻器整流電路中沒有這樣的緩沖，它進(jìn)線電壓就是電網(wǎng)電壓。在合閘瞬間，電網(wǎng)電壓要降到0V，這將影響同一網(wǎng)絡(luò)中其他設(shè)備的正常工作，通常稱之為干擾。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。限流電阻的作用接入了限流電阻后，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。等到電容器上的電壓上升到一定程度時(shí)，再把限流電阻短路掉！限流電阻規(guī)格問題看過幾臺(tái)變頻器后，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？嚴(yán)格地說，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。限流電阻規(guī)格問題舉個(gè)例子假設(shè)所選用限流電阻的阻值RL＝50Ω，那么，即使電源電壓等于振幅值ULM＝1.41×380＝537V，最大的沖擊電流只有10A多一點(diǎn)。

假設(shè)濾波電容的電容量是5000μF，充電時(shí)間有多長(zhǎng)？T＝RLC＝50×5000＝250000μs＝250ms＝0.25sT是充電時(shí)間常數(shù)，充電時(shí)間應(yīng)該是它的3倍到5倍。充電時(shí)間和電流，對(duì)于大多數(shù)變頻器來說，都是可接受的。限流電阻規(guī)格問題所以，生產(chǎn)廠家為了減少零部件的種類，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)镽L中通電流的時(shí)間很短，只有1s，真正達(dá)到10A的時(shí)間更短。所以，一般說來，容量只要不小于20W就可以了。旁路接觸器選型再看旁路接觸器KM

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。一般說來，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？選標(biāo)稱值為30A的接觸器？觸點(diǎn)是可以并聯(lián)起來用的！不過，要是用晶閘管的話，還是要用30A的！問題回歸可是，限流電阻為什么會(huì)冒煙，并且燒斷?燒斷限流電阻的原因可能有三種。第一種可能，是限流電阻的容量選小了。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以及濾波電容器的電容量CF有關(guān)RL大：則電流的初始值較小，電流的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。CF大，電流的持續(xù)時(shí)間將延長(zhǎng)。一般說來，如選RL≥50Ω，PR≥50W是不會(huì)有問題的。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。那臺(tái)變頻器在倉(cāng)庫(kù)里存放了一年多才拿出來，應(yīng)該先打開蓋觀察一下濾波電容器，看它是否‘鼓包’，甚至是否有電解液漏出！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。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。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。“那……，變頻器在倉(cāng)庫(kù)里時(shí)間放長(zhǎng)了，就報(bào)廢了？”長(zhǎng)時(shí)間不用的電解電容器，通電時(shí)，應(yīng)該先加約50%的額定電壓，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。第三種可能，就是旁路接觸器KM或晶閘管沒有動(dòng)作。結(jié)果，使限流電阻長(zhǎng)時(shí)間接在電路里?！澳窃趺磥砼袛嗯月方佑|器或晶閘管是否動(dòng)作了？”“旁路器件應(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450V）時(shí)動(dòng)作。因此，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UD上升到足夠大時(shí)，旁路器件是否動(dòng)作。具體方法：如圖1-9，限流電阻兩端并聯(lián)電壓表PV1，在濾波電容兩端接電壓表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。通電后，如果PV2顯示UD已經(jīng)足夠大，但PV1不為0V，就說明旁路器件并未動(dòng)作?！敝骺匕迳系碾娫粗甘緹?/p>

“還有，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？”

“是不是用來指示變頻器是否通電？”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，而是顯示變頻器斷電后，濾波電容器上的電荷有沒有放完，它是為你的人身安全而設(shè)置的。就是說，當(dāng)變頻器發(fā)生了故障，你打開機(jī)箱，想要看看里面的零部件是否發(fā)生問題時(shí)，雖然變頻器已經(jīng)斷了電，但如果濾波電容器上的電荷沒有放完的話，將是很危險(xiǎn)的。所以，千萬注意，一定要在指示燈完全熄滅后，才能用手去觸摸里面的元、器件。本節(jié)小結(jié)變頻器因?yàn)檩斎雮?cè)直接接電網(wǎng)，所以，它的整流濾波電路