交-直变频器内部主体电路分析

不同系列交-直-交变频器内部的主体电路基本相同，变频调速过程中出现的许多现象都可通过主体电路来进行分析。

一、交-直变换电路

交-直-交变频器的交-直变换电路部分由整流电路、滤波电路、限流电路和电源指示电路组成。

交-直变换电路就是整流和滤波电路，其任务是把电源的三相(或单相)交流电变换成平稳的直流电。由于整流后的直流电压较高，且不允许再降低，因此在电路结构上具有其特殊性。

1、全波整流电路

在SPWM变频器中大多采用桥式全波整流电路，在中、小容量的变频器中整流器件采用不可控的整流二极管或二极管模块，如下图所示变频器交-直变换电路中的VD1~ VD6。当三相线电压为380V时，整流后的峰值电压为537V，平均电压为515V。

2、滤波电路

在上图中，滤波电路是指CF1和C F2 。由于受到电解电容的电容量和耐压能力的限制，滤波电路通常由若干个电容器并联成一组，又由两个电容器组CF1和CF2串联而成。因为电解电容器的电容量有较大的离散性，故电容器组CF1和CF2的电容量不能完全相等。其结果是各电容器组承受的电压UD1和UD2不相等，使承受电压较高一侧的电容器组容易损坏。为了使UD1和UD2相等，在CF1和CF2旁各并联一个阻值相等的均压电阻RC1和R C2 。

3、限流电路

1）在上图中，限流电路是指串接在整流桥和滤波电容器之间，由限流电阻RL和短路开关SL组成的并联电路。

2）限流电阻RL的作用是：变频器在接入电源之前，滤波电容器C F (由CF1和CF2串联而成)上的直流电压U D =0。因此,变频器刚接入电源的瞬间,将有一个很大的冲击电流经整流流向滤波电容，可能损坏整流桥。如果电容器的容量很大，还会使电源电压瞬间下降而形成对电网的干扰。限流电阻RL是为了削弱该冲击电流而串接在整流桥和滤波电容间的。

3）短路开关SL的作用是：如果限流电阻RL长期接在电路内，会影响直流电压UD和变频器输出电压的大小。所以，当UD增大到一定程度时，令短路开关SL接通，把RL切出电路。SL大多由晶闸管构成，在容量较小的变频器中常由继电器的触点构成。

4、电源指示电路

电源指示灯HL除了表示电源是否接通外，还有一个十分重要的功能，即在变频器切断电源后，表示滤波电容器CF上的电荷是否已经释放完毕。

由于CF的容量较大，而切断电源又必须在逆变电路停止工作的状态下进行，所以CF没有快速放电的回路，其放电时间往往长达数分钟。又由于CF上的电压较高，如果不放完电，对人身安全将构成威胁，故在维修变频器时，必须等HL完全熄灭后才能接触变频器内部的导电部分。所以，HL也具有提示保护的作用。

二、直-交变换电路

1、三相逆变桥电路

逆变桥电路的功能是把直流电转换成三相交流电。逆变桥电路由下图中的开关器件 V1~V6 构成。目前中、小容量的变频器中，开关器件大部分使用IGBT 管。

2、续流电路

续流电路由上图中的VD7~VD12构成。其功能如下：

1）为电动机绕组的无功电流返回直流电路提供通路。

2)当频率下降从而同步转速下降时，为电动机的再生电能反馈至直流电路提供通路。

3）为电路的寄生电感在逆变过程中释放能量提供通路。

3、缓冲电路

逆变管在关断和导通的瞬间，其电压和电流的变化率是很大的，有可能使逆变管受到损害。因此，每个逆变管旁还应接入缓冲电路，以减缓电压和电流的变化率。缓冲电路的结构因逆变管的特性和容量等的不同而有较大差异，下图所示的是比较典型的一种缓冲电路(由R01~~R06~、C01~~C06~、VD01~~VD06~构成)。

各元件功能如下:

1）电容C01~~C06~

逆变管 V1V6每次由导通状态转换成截止状态的过程中，集电极和发射极之间的电压UCE将极为迅速地由近乎0V上升至UD~。在此过程中，电压增长率是很高的，很容易导致逆变管损坏。C01~~C06的功能便是减小V1V6在关断时的电压增长率。

2）电阻R01~~R06~

V1V6每次由截止状态转换为导通状态时，C01C06上所充的电压(等于U D )将向V1V6 放电。放电电流的初始值是很大的，并且将迭加到负载电流上，导致V1V6 损坏。电阻R01R06就是用来限制C01~~C06对V1~V6的放电电流的。

3）二极管VD01~VD06

限流电阻R01~~R06的接入，又会影响C01C06在V1V6关断时限制电压增长率的效果，VD01VD06接入后，在V1V6的关断过程中，使R01R06不起作用。

三、能耗制动电路

1、能耗制动电路的作用

在变频调速系统中，电动机的降速和停机是通过逐渐减小频率来实现的。在频率刚减小的瞬间，电动机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的原因，电动机的转速未变。当同步转速低于转子转速时，转子绕组切割磁力线的方向相反了，转子电流的相位几乎改变了180°,使电动机处于发电状态，也称为再生制动状态。

电动机再生的电能经续流二极管(上图中的VD7VD12)全波整流后反馈到直流电路中。由于直流电路的电能无法回输给电网，只能由CF1和CF2~吸收，使直流电压升高为“泵升电压”。过高的直流电压将使变流器件受到损害。因此，当直流电压超过一定值时，就要求提供一条放电回路，将再生的电能消耗掉，这一条放电回路就是能耗制动电路。

2、能耗制动电路的构成

能耗制动电路由制动电阻RB和制动单元BV构成，如下图所示。

制动电阻RB用于消耗掉直流电路中的多余电能，使直流电压保持平稳。制动单元BV的功能是控制放电回路的工作，具体地说，当直流回路的电压UD超过规定的限值时，VB导通，使直流回路通过RB释放能量，降低直流电压；而当UD在正常范围内时，VB将可靠截止，以避免不必要的能量损失。

四、主体电路

将上述各部分电路汇总后成为主体电路，如下图所示。

1、 交-交变频器又称为直接变频器。交-交变频器输出电压是依靠调节反并联整流桥晶闸管的触发相位来实现的，输出频率则取决于输出端A、B、C各组间的换流频率。根据输出电压波形的不同，交-交变频器可分为120°导通型方波电流源变频器、180°导通型正弦波电压源变频器。

2、 矢量控制变频调速系统可以使异步电动机的调速具有和直流电动机相媲美的高精度和快速响应能力。矢量控制变频调速系统能适应恶劣的工作环境，可应用于要求高速响应的工作机械、高精度的电力拖动装置。