张燕宾讲变频器

一.变频器的主电路（一）小孙是蓝天公司的电气工程师，多年來从事电子设备的维修工作。近几年来，各种设备 里应用的变频器越來越多，小孙被安排來专门从事变频器的调试和维护。这一天，小孙从仓库里领出了一台变频器，打算配用到鼓风机上。按照规定，先通电测 试一卞。谁知一通电，就发现冒烟，立刻切断了电源。把孟打开后，发现有一个电阻很烫。 小孙想，在开盖情况下再通电观察一次。这一回，电阻倒是不冒烟了，但不一会儿，变频器 便因”欠压而跳闸了。用万用表一屋，那个电阻已经烧断了。经人介绍，小孙找到了一位退休老高工张老师。你们那台变频器在仓库里存放了多长时间？听完了小孙的情况介绍后，张老师问。大约一年多一点。我知道了。张老师胸冇成竹地说。、在分析电阻冒烟的原因之前，先要弄清楚变频器 里整流滤波电路的特点。老师，我不人明白，变频器的中间为什么要加进一个直流电路呢？ ”好吧，那我们就先从交一直一交变频器的基本结构讲起。张老师拿了一张纸，不紧不 慢地iHii出了交一直一交变频器的框图，如图1-1所示，然后说： 你瞧，电网的电压和频 率是固定的。在我国，低压电网的电压和频率统一为380V、50H乙是不能变的。要想得 到电压和频率都能调节的电源，必须自己变出来，才便于控制。所谓变出来，当然不町 能彖变魔术那样凭空产生出来，而只能从另一种能源变过来。这另一种能源，便是直流电。图1-1交一直一交变频器框图因此，交一直一交变频器的工作可分为两个基本过程：（1）交一直变换过程就是先把不可调的电网的三相（或单相）交流电经整流桥整流成直流电。（2）直一交变换过程就是反过来又把直流电 逆变成电压和频率都任意町调的三相交流电。你方才说的那台变频器的问题，我的判断是出在交一直变换里。我们就來讨论这部分 电路吧1.交一直变换电路所谓交一直变换电路就是是整流和滤波。在低压电路里，哪种滤波方式效果故好？ 老张又问。应该是n形滤波。小孙答。可是，变频器里却不能用n形滤波。 变频器不用n形滤波为什么呢？小孙真还没有想到过这样的问题，不觉來了精神。其实，你只要比较一下这两种整流滤波电路的区别就明白了。张老师说着，随于就画 出了两个整流滤波电路，如图1 一2。然后说：图1-2整流和滤波电路(a)低压整流滤波电路 (b)变频器整流滤波电路瞧，n形濾波在电路里要串联一个电感L或电阻R的。不管串联什么，它总要产生一 个电压降U,使后面的电压UD2比前面的电压UD1小一点。这在低压电路里是没令关系 的，如果觉得UD2太小了，你可以在设计变压器时适当提高一点副方电压就可以了。啊，我知道了。小孙如梦初醒： 变频器前面没有变压器，不可能提高电压。可是， 稍为有一点电压降不行吗？不行！张老师斩钉截铁地说。因为变频器要求后而逆变出來的三相交流电，在50Hz 时的电压能够和前而的电源电压一般大。要是直流电乐减小了的话，逆变出来的三相交流电 乐，在50Hz时就达不到380V To那人家就会说，你这个变频器不行，电压不够。所以, 变频器里只能用电容器滤波。好象是用两组电容器串联起來的，为什么呢？小孙來了兴趣，努力思索着要主动地问 一些问题。那是生产水平的问题。迄今为止，全世界生产的电解电容器的故高耐压，只500V, 而380V全波整流后的峰值电压是537V。按照国家规定，电源电压的允许上限误差是+10%.即418V.全波整流后的峰值电压是591Vc此外，变频器在运行过程中允许的最高直流电压町达（700800） V.而在逆变的过渡过程中，瞬间的立流电压甚至町能高达 1000V呢。所以，只能用两组电容器串联来解决。张老师回答说。还有，我曾打开变频器看过。每个电容器旁边，都并联一个电阻，好象叫均压电阻。M它们的电阻值很大，约为几十kQ,而瓦数却不大，好彖只有10W左右，它们能起到均 压作用吗？小孙显露出一副疑惑的神 均斥电阻的学问那就让我们來看看吧。张老师随手又画了一个图，如图1一3。接着说:图13滤波电容的均压电路图中，电容器C1的充电回路由C1和RC2构成：C2的充电回路由C2和RC1构成。RC1和RC2的电阻值是相等的：Rci =Bc2*如果两个电容器组的电容量冇差异，假设：则两个电容器组上的电压分配必不相等：而两个电容器的充电电流分别是:很明显:这样，电容器C2上要多充一些电，UC2就得到了提高。结果是UC1和UC2趋向于 均衡：UcUc24t当然，要绝对均衡是不可能的。至于瓦数么，你自己算一算看。小孙立即拿起笔来，刚要卜笔，却又难住了，问： 电压值按多大算呢？每个电容器上的平均电压可以按300V算。电阻么，好象是30 kQ.这就好算了。只见小孙在纸上算了起来：p U23002.P=3曲R 30000哟，还绰绰有余呢。小孙说，我以前总喜欢估计一个人概数据，很少具体计算。看 起来，以后还是要算一算的好。还冇一个问题，那个冒烟的电阻是在整流桥和滤波电容之间的，这在低压整流电路里是 没有的。它起什么作用呢？限流电阻的作用就整流和滤波的基本过程而言，低压和高压是相同的。张老师又画了个整流滤波电路, 如图1一4接着说： 问题的关键，是合上电源前，电容器上是没有电荷的，电压为OV, 而电容器两端的电压又是不能突变的。就是说，在合闸瞬间，整流桥两端（P、N之间）柑 当于短路。因此，在合上电源时，就出现了两个问题：图1一4整流电路的合闸第一个问题，是有很大的冲击电流，如图中的曲线，这有可能损坏整流管。笫二个问题，是进线处的电压将瞬间卜降到OV,如图中之曲线所示。这两个特点，高、低斥整流电路完全一样。张老师又画了起来，如图l5o接着说: 瞧，低压整流电路是要通过变床器来降床的：变床器的绕组是一个人电感，它犹如一个屏 障，能对合闸时的冲击电流起到限制作用，如图心）中的曲线。而变频器的整流电路中, 就没有这样的屏障，冲击电流就要严重得参，如图（b）中之曲线所示。C工控Q聊论15OV图1-5高、低压整流电路的区别（a）低压整流电路 （b）高压整流电路 （c）限流电路至于进线侧的电压波形，其实，在低压整流电路屮，变压器的副方电压，也同样要瞬间 降到0V的，如图（a）中之.曲线。但反映到变压器的原方，这样的瞬间降压，就被缓冲 了，如图（a）中之曲线，对同一网络中的其他设备不构成干扰。变频器整流电路中没有这样的缓冲，它进线电压就是电网电耳。所以，在合闸瞬间，电 网电压要降到0V,这将影响同一网络中其他设备的正常工作，通常称之为干扰。所以，在整流桥和滤波电容之间，就需要接入一个限流电阻RL。至于它的原理，你该 是明白的吧？我来试试看吧，小孙鼓足了勇气，说： 接入了限流电阻后，非但减小了通电时的冲 击电流。并且，瞬间的电压降，也都降到限流电阻上了，电源侧的电压波形也解决了，真是 一举两得啊。等到电容器上的电压上升到一定程度时，再把限流电阻短路掉，对吧？可 是张老师正想夸赞小孙几句，没想到他乂來了个是，于是他耐性地等着小孙的下文。我曾经査看过儿台变频器，发现短路器件（晶闸管或接触器）的人小是随变频器的容 量而变的，但限流电阻的阻值和容量却差别不大，这是怎么回事呢？说得好，也问得好。张老师高兴地夸赞了小孙几句。我们通过具体例子来说明。张老师一边说，一边画出了图l-6a然后说： 我们分开 來说吧。先看限流电阻Rl严格地说，容屋人的变频器里，整流管的允许电流也较人。滤 波电容的容量也要大-些，限流电阻的阻值应该小一些，而容屋（瓦数）应该衣-些。但是, 让我们举一个例子来看-下。假设所选用限流电阻的阻值Rl=50Q,那么，即使电源电压 等于振幅值Ulm=1.41x380 = 537V,最人的冲击电流是多大呢？图1一6限流电路里的电流只有10A多一点。小孙说。还有，假设滤波电容的电容量是5000pF.充电时间有多长呢？小孙很快算了起来：T=RlC=50x 5000 = 250000MS=250ms = 0.25s只有0.25s。小孙抬起头来，说。那是充电时间常数，充电时间应该是它的3倍到5倍。张老师更正说。就是说，允 电时间大约是0.75 s到1.25 s之间，笼统一点说，是Is左右吧。这样的充电电流，和这样的充电时间，对于人多数规格的变频器來说，都是可以接受的 吧？所以，生产厂家为了减少另部件的种类，釆取了多种规格的变频器选用同一规格限流电 阻的做法。至于电阻的容量（瓦数），因为Rl中通电流的时间很短，只有Is,真正达到:L0A的 时间更短。所以，一般说来，容量只要不小于20W就可以了。再看旁路接触器KM,.还是用貝体例子来说明吧，殳电动机容量是7.5kW, 15.4Ao配用变频器的容hUi 13kVA, 18A。一般说来，直流回路的容最和变频器的输入容呈应该是相等的，当电源电压是380V 时，直流电压的平均值是513V,那么，直流电流应该有多大呢？张老师看着小孙，问。小孙会总，马上在纸上算了起來：=25 A-奄130004) UD 513那就只冇选标称值为30A的接触器了。小孙不假思索说。要动动脑筋么。你想，这里用接触器的几个触点呀？啊，小孙拍着自己的脑袋说，接触器的三个触点是可以并联起來用的，那就只要10A 的接触器就可以了。张老师微笑着点了点头，又补充说：”不过，要是用晶闸管的话，还是要用30A的。 张老师略顿了顿，接着又问： 那么，要是电动机容量是75kW, 139.7A,配用变频器的 容屋足114kVA, 15OA.该配用赛人的接触器呢？这回小孙心里有底了，他很快地算了起来：应该选额定电流为80A的接触器。小孙肯定地说。所以，你刚才提的问题不就解决了吗。张老师笑嘻嘻地说。可是，限流电阻为什么会冒烟，并且烧断呢？小孙问。就我所接触到的情况而言，烧断限流电阻的原因对能有三种。张老师说。第一种町能，是限流电阻的容量选小了。因为在限流电阻中通入的电流是按指数规律 衰减的，且持续时间很短，如图1一7所示。所以，其容量可以选得小一些。为了降低元器 件成本，有的变频器生产厂家在决定限流电阻的容量时，常常収较小值。但实际上，流经限 流电阻的电流IR是和限流电阻的阻值RL以及滤波电容器的电容量CF有关的。比较图（a ） 和图（b丿知，RL人：则电流的初始值较小，但电流的持续时间长。比较图（b）和图（C） 知：CF人，电流的持续时间将延长。所以，严格地说，RL的容屋人小也应该根据具体情况 适当调整。但如前所说，用户对滤波电容器的充电过程并无严格的要求。所以，对RL的阻 值和容量也并无明确的规定。-般说來，如选RL50Q, PR50W是不会冇问题的。（a） RL=80Q、CF=1000jjF （b） RL=40Q、CF=1000pF（c） RL=40Q、CF=2000pF第二种可能，是滤波电容器变质了。凡是有电解质的器件，都有一个特点：你一直用它, 它不容易坏。你总也不用它，它倒要坏了。你那台变频器在仓原里存放了一年多才京出来, 你应该先打开盖观察一下滤波电容器，看它是否鼓包？其至是否有电解液漏出？电解电容 器变质的特征，首先是漏电流增大。一台长时间不用的变频器，突然加上高电压，电解电容 器的漏电流町能是相当人的。你第一次合匕电源时，变频器内冒烟，很可能就是电解电容器 严重漏电，共至己经短路。而直流电压难以充电到450V以上，短路器件不动作，限流电 阻长时间接在电路里，它当然要冒烟、烧断了。那，变频器在仓库里时间放长了，就报废了？小孙感到疑惑。当然不是。长时间不用的电解电容器，通电时，应该先加约50%的额定电压，加压 时间皿在半小时以上，如图1一8所示。它的漏电流就会降卜去，也就町以正常便用了。220VIOOOjiFt ZQnin图1-8长期存放电容器的复原所以，你回去以后，先用万用表测量一下电容器是否短路。如并未短路，外观上也没有 异常，则如图那样，通电半小时以后，电容器将可以恢复。太好了 ！小孙高兴地说。接着又问： 您说,电阻冒烟还有另一种可能性？小孙接着 问。第三种町能，就是旁路接触器KM或晶闸管没有动作。结果，使限流电阻长时间接在 电路里。那，怎么來判断旁路接触器或晶闸管是否动作了呢？小孙问。旁路器件应该在滤波电容器已经充电到一定程度（例如，电压己经超过450V）时动 作。因此，你可以在确认滤波电容器完好的情况卜，通电时，观察当直流电压UD上升到足 够人时，旁路器件是否动作？具体方法之一，是在限流电阻两端并联一个电压表PV1,同时在滤波电容两端也接一个电压表PV2,再将两个串联的灯泡也接到滤波电容的两端，作为负载，如图1-9,通电后，如果PV2显示UD已经足够人，但PV1的读数并不为0V,就说明旁路器件并未动作。图1-9旁路器件的动作检查（a）原理图 （b）外部接线图为什么要接两个灯泡呢？小孙问。那是为直流电路接一点负载。要是没有负载的话，限流电阻内将没有电流，即使短路 器件未动作，限流电阻上也量不出电压呀。还有一个问题，小孙拿了 张纸，画了起来,然后问：我发现在滤波电容器两端, 还并联了一个0.33pF的小电容，如图1-10中和CO所示，那是为什么？图1-10抗干扰电容内为电解电容具有一定的电感性质，它不能吸收时间很短的干扰电压，容易导致过电 压跳闸的课动作。电容器C0就是用来吸收干扰电压的。主控板上的电源指示灯还有，我发现在主控板上有一个电源指示灯，为什么把它放在机箱里面，而不放在控 制面板上呢？小孙问。那么，你每次开机时，怎么知道变频器是否通电？张老师反问。我是看变频器的显示屏上是否有显示。是啊，显示屏已经显示了通电与否，要是再把里面这个指示灯也放到面板上，岂非叠 床架屋了？张老师说着，随手又画了个图1 一11。图1一11直流指示其实，里面的这个指示灯，主要不是显示变频容是否通电，而是显示变频器断电后， 滤波电容器上的电荷有没有放完，它是为你的人身安全而设豐的。就是说，当变频器发生了 故障，你打开机箱，想要看看里面的另、部件是否发生问题时，虽然变频器已经断了电，但 如果滤波电容器上的电荷没有放完的话，将是很危险的。所以，万注意，一定要在指示灯 完全熄灭后，才能用手去触摸里面的元、器件。小孙觉得，张老师的讲解深入浅出，使自己对问题的理解变得清晰起来。于是，他人着 胆子说； 老师，我能不能交点学费，拜您为师，系统地学一学变频器的知识？你不己经叫我老师了么？学费是断不能收的。其实，我也是右收获的。我年纪人了, 已经不再有到现场处理问题的机会了。你给我带來了现场的工况，我也是有提高的。你想系 统地学，当然很好，但要坚持学Fi,可也不容易呢。我反正是退休老头一个，整天赋闲在 家，你什么时候想来，只要爭先通个电话，我在家恭候就是了。张老师的话，使小孙感到 暧履地。只见张老师呷了一门茶，说道：既然你想系统地学，那接下来就该讨论逆变电路T.你回去先预习一下吧。小孙的笔记变频器因为输入侧直接接电网，所以，它的整流滤波电路就右了许多不同于低压电路 的特点。1、它的滤波电路不允许有电压降，所以不能用口形滤波。2、滤波电路由两组电容器串联而成，为了使两组电容器的电压分配均衡，必须在电容 器旁并联均压电阻。3、在整流桥和滤波电容器Z间，设置了限流电路，以限制刚合上电源时的冲击电流。4、变频器内部控制板上的指示灯，主要是在停电时，显示滤波电容器上的电荷是否释 放完毕而设置的，目的是保护人身安全。2逆变电路过了一个星期，小孙又到张老师家去了。逆变电路预习过了？冇问题吗？张老师和蔼地问。人体的轮廓，好象知道了。但要深究起來，却还是感到模模糊糊地。首先，对逆变用 的IGBT管就不大熟悉。小孙说。IGBT管的特点那我们就先从IGBT管说起吧。这一次，张老师己经那先画好了许多的图，随手負出 了一张,如图112。b图1一12 IGBT管的构成（a）晶体管 （b）场效应管 （c） IGBTTGBT管也叫绝缘栅晶体管，它是晶体1?和绝纟彖栅场效应管的组合。图（8）是三极晶体管，它的三个极分别是：集电极C、发射极E和基极B。它的特点 是集电极电流IC的人小取决于基极电流IB,故称为电流控制器件。图（b）是绝缘栅场效应管，它的三个极分别是：漏极D、源极S和栅极G。栅极和源 极之间是绝缘的。它的工作特点是漏极电流ID的人小取决于栅极和源极之间的电压uGS. 故称为电压控制器件。再看图（c）所示的IGBT管，它的主体部分和晶体管相同，也是集电极C和发射极E： 控制部分却是绝缘栅结构，通常称为控制极G。集电极电流IC的人小取决于控制极与发射 极之间的电压uGE。所以，也是电压控制器件。和人功率晶体管GTR相比，IGBT管主要有哪些优点呢？小孙问。首先，IGBT管允许的开关频率比GTR高一个数量级。GTR的蚁高开关频率只有2kH乙 而IGBT nf达20kHz。其次，很明显的是，它的控制极的功耗要比GTR的基极功 耗小得多。这是主要的，其他也还有一些优点，就不详细说了。这IBGT管是作为开关用的吧？ 小孙问。是的。张老师又找出了一张图，如图1 一13。接着说：TGBT管和其他三极管一样, 也有三种状态：截止状态、放大状态和饱和导通状态.而我们只用它的截止状态和饱和导通 状态：图（a）所示，是饱和导通状态，犹如开关处于闭合状态；图（b）所示，是截止状 态，犹如开关处于断开状态。图1-13 IGBT管的工作状态（a）饱和导通状态 （b）截止状态我用万用表量了一下，怎么觉得它有点像晶闸管呢？小孙说完，从皮包里拿出了 IGBT 管模块、万用表、电池等器件，看样子，他是有备而来的。哦？你是怎么量的？张老师颇感兴趣地问。您瞧，小孙一边画了个图1 一14一边演示起来 当电池的 + 端接G极，一端接 E极，如图（8）所示时，IGBT管是导通的。可是，我把电池京掉后，IGBT管仍然是通的, 如图（b）所示。这不和晶闸管差不多么？ ”图1-14 IGBT管的粗测(a) GE接电池 (b)拿掉电池 (c)接入电阻你给我拿一个电阻来，阻值不限。张老师伸出手说。小孙从包里找出一个10kQ的电阻递给了老张，只见老张把那个电阻往G、E间一接, 万用表的显示立刻就指向8了。然后说：因为IGBT管的G、E间是绝缘的，所以，你 方才把电池拿掉时，G极上的 + 电荷不能释放，所以，IGBT管保持着导通的状态。在G、 E间接入了一个电阻后，G极匕的 + 电荷很快释放掉了，你所谓的晶闸管现象也就不存在 了。原來是这样。小孙高兴地说，接着又问：它是怎样把直流电逆变成交流电的呢？II流电怎样变成交流电？先从简单一点的单相逆变桥说起吧，张老师又找出了一张图，如图1-15,然后说: 用4个IGBT管组成一个桥形电路，ZL是负载，如图G)所示。首先让VI、V2导通， V3、V4截止。这时候的电流如红色箭头所示：从电源正极P ( + )出发，经VI后流经负 載ZL,又经V3流向电源负极N ( )。注意：当它流经负載时，是从a端流向b端的。 我们把这种情况下的电压作为uab的正方向，即u8b为+,幅值等于直流电压UD,其电 压波形如图(b)中时间段0tl所示。图1-15单相逆变桥(a) VI. X2 导通 (b) V3、V4 导通然后，又让V3、V4导通，VI、V2蔵止。这时候的电流如蓝色箭头所示：从P ( + ) 出发，经V3后流经负载ZL,又经V4流向N ( )。当它流经负载时，是从b端流向8 端的。所以，uab为一，幅值也等于直流电压UD.电压波形如图(b)中时间段tl-t2 所示。让VI、V2为一组，V3、V4为另亠组，并让它们不断地交替导通和截止，则负載中流 过的，便是交变电流了。啊，我明白了。小孙从老张的图纸里找出了一张如图1 一16。说： 这6个IGBT管 就组成了三相逆变桥，如图G)所示，只要各相之间互差三分之一周期(T/3)就町以了， 如图(b)。可是，怎么实施呢？ ”(J(b)图1一16三相逆变桥（a）电路结构 （b）各管的导通规律找出规律呀。张老师指着图上说：在第1个T/6内，令VI、V6、V5导通.第2个T/6内.令VI、V6. V2导通以此类推就町以了。在实际的逆变模块中，为什么每个IGBT管旁边，都要反并联一个二极管呢？小孙问。 为什么要反并联二极管？要说清楚这个问题.需要先复习一下电工基础的知识。张老师说着.又从预备好的图 纸中找出了一张电阻、电感电路图，如图l-17o图1-17 电阻、电感电路（a） R. L电路 （b）电压电流曲线图（a）是一个R、L电路，图（b）是电路内电压与电流的瞬时值曲线。我们知道， 在R、L电路内，电流是比电压滞后p角的。0tl时间段内，电压为、+,而电流为一（图（b）中的A区），说明电流和电压是 反方向的，如图（8）中的蓝色箭头所示。这时候的电流，是自感电动势克服电源电压的结 果，是磁场在作功。而在tl-t2时间段内，电压和电流都为、+（图（b）中的B区），说明电流和电压是 同方向的，如图心）中的红色箭头所示。这时候的电流，是电源电压克服自感电动势的结 果，是电源在作功。就是说，R、L电路在工作过程中，存在看电源和磁场之间不断地交换 能量的过程。当然，因为不是纯电感电路，所以，总的来说，B区比A区大一些，电源所 作的功要多一些。您是说.电动机在工作时.也要和电源交换能量？小孙似有所悟。洞为电动机的定子绕组也是一个R. L电路呀。让我们看仔细一点，张老师又拿出了一张图，如图1 一18。2打i p)La J._.l._ic=t图1-18变频器的输出电路和直流电源交换能屋？尽管小孙己经肯定了这个谜底，但-想起直流电源的电压足不 变的，总觉得有点难以理解。说得更明确一点，是和直流电路里的滤波电容之间进行充、放电啊。张老师笑嘻嘻地 说。您是说，电动机的定子绕组也要对滤波电容充、放电？小孙己经右占明白了，但因为总也 没有这样思考过，总觉得不人有把握似地。为什么不呢？不过在这里，要爭先说明一 F，变频器的输出电压里，是有一些谐波分 最的，我们这里，只看它的基波分最。当电流与电乐反方向（如图中的A区所示）时，实 际上是电动机的反电动势在向滤波电容充电。但是，IGBT管是只能单方向导电的，所以， 必须要为充电电流提供一条路径，这就是反向二极管的作用。允电电流的路径如图中的蓝色 箭头所示。当电流和电压同方向（如图中的B区所示）时，则是滤波电容通过IGBT管向 电动机绕组放电的过程，放电电流的路径如图中的红色箭头所示。原来是这样。小孙赶紧在笔记本上记录了起来。等小孙记录完毕，张老师说； 对于 变频器主电路结构的讨论,恐怕可以告一段落了。接卜来要讨论的是主电路里的运行数据了， 如输出电压和电流、输入电流等等，你先回去预习吧。小孙的笔记1、直流电逆变成交流电的基本方法，是使儿个开关器件不断地按照一定的规律交替导 通的结果。2、目前在低压变频器中，普遍采用的是IGBT管，它的主体部分和晶体管相同，也有 集电极和发射极。而它的控制极却和绝缘栅场效应管类似，称为控制极。3、电动机定子的等效电路是电阻电感电路，它和直流电路之间，存在着能量交换的过 程。具体地说，要对滤波电容器进行充放电。为此，在每个IGBT管旁边，都必须反并联二 极管，为电动机绕组向滤波电容器充电提供通路。