变频器：一个重要的电气设备

小李是某电器厂的一名维修电工，开始主要是干外线（所谓强电检修）。但近几年，随着变频器设备应用增多，好学上进的小李开始“恶补”电子电路的相关知识，并且一有空儿，就到技术部“粘上”从事变频器安装和维修的咸工，学习变频器的应用和故障检修，时间长了，有时也能帮咸工的忙了。

咸工觉得，小李是一名好学的好电工，随着小李提问的深入，将变频器技术一股脑儿地“掏”了出来。

小李：作为电气设备，与接触器相比，变频器有什么特点？或者说，与工频电源相比，变频电源是怎么回事儿？

图1-1 中达VFD-B型变频器实物图

咸工：如果将变频器看做是交流接触器一样的部件，都是输入三相工频电源，再输出三相电源。后者是一个三相电源的通、断控制开关，前者是一个电源设备，或者说是一个逆变电源设备。输入工频电源，输出为频率/电压可变的三相电源。机器正中有操作显示面板（见图1-1），底部或上部安装有散热风机（或称风扇）。打开防护盖板，可看到主接线端子和控制电路板上的控制端子排。从控制方面看，变频器具有更为复杂和高度智能化的控制功能，能和PLC、DCS等设备相结合，构成完善的自动化控制系统。

相对于工频电源（电压三相交流380V，50Hz是固定不变的）来说，变频器是一个变频电源，其工作方式被称为VVVF工作方式。事实上，为保证任意速度下的恒转矩特性，要求主磁通为一恒定值（避免产生磁饱和现象），在频率改变的同时，需要同步改变输出电压。因而变频器是一个既变频又变压的设备。其输出频率与电压基本上也成一个对应的线性关系，如输出频率0～50Hz，输出线性电压也为0～380V。当频率为25Hz时，输出电压为190V左右。变频器的U/f输出特性可据负载特性进行设置，为保证低速时的转矩能力，变频器通常还有转矩提升功能。

用变频器来控制电动机，首先是利用是其平滑无级（宽范围）的调速性能，同时带来了两个“副产品”：

1）节能运行。基频50Hz以下运行时，运行电压（电流）减小，有功率降低，节能效果明显；

2）优良的软起动性能。比之传统的星/三角减压起动、自耦变压器减压起动、晶闸管减压起动方式，变频起动可称为理想的“终极性”起动模式，前者仅仅是减压起动，起动期间由于巨大转差率的存在，仍会形成数倍于电动机额定电流的起动电流；后者不仅降压，而且降频，起动期间电动机的转差率也能较好地维持在5%以内，能真正地将满载起动电流值限制于额定电流以内。

一般厂家的变频器产品，通常分为两大系列，即风机/水泵专用型（定义为P型机）、通用型（定义为G型机）。风机/水泵专用型变频器适用于二次方递减转矩型负载，抗过载能力稍差；通用型适用于恒转矩负载，有较强的抗过载能力。两种机型，从维修的角度看，控制电路的硬件电路结构上其实是一样的，只是区别于软件控制和过载能力的大小上。通用机型在选用功率输出模块（逆变模块）上要大一个功率级别，如5.5kW通用机型，其实又是7.5kW风机/水泵专用机型。

变频器基本结构如图1-2所示，包含主电路和控制电路两大部分。

图1-2 变频器基本结构框图(www.xing528.com)

1.变频器主电路

图1-2中的上部分电路即为变频器的主电路部分。变频器的主电路包括三相整流电路、电容储能（滤波）电路和IGBT功率模块（或由6只IGBT组成）构成，在整流电路和储能电容之间，还增设一个由电阻R1、KM1接触器主触点的预充电（或称为充电限流）电路，在上电期间先由R1对储能电容C1、C2进行限流充电，充电完成后，KM1动作，短接R1，使变频器进入待机工作状态。有些机型将整流二极管VD1、VD3、VD5换成单向晶闸管器件，控制晶闸管在电容充电过程结束后导通，由此可省去接触器KM1（具体电路见后文所述）。逆变功率电路由V1～V6等6只IGBT（功率模块）组成，每只IGBT的集电极和发射极之间并联有反向连接的二极管，是与IGBT密切结合在一起的，不是外接的，提供IGBT的反向电流通路，消除反向电压对IGBT的“威胁”，在负载电动机因超速产生发电时，提供电动机的发电电能向直流回路的回馈通路。

这类以储能电容为逆变电路提供能量供应的电路形式称为电压型变频器，是最为常见的主电路形式。

小功率机型，机器内部往往内置制动开关管和制动电阻，对负载电动机回馈的反发电能量进行消耗，以保障储能电容和逆变功率电路的安全。大、中功率机型，制动单元和制动电阻必须经主电路引出端子外接。

2.变频器的控制电路

变频器的控制电路是以MCU（单片机或称微控制器）为核心的，包括工作电源（开关电源电路）、电压、电流等检测（故障报警、保护）电路、IGBT驱动电路和操作控制电路、MCU基本电路等五大部分。

1）开关电源电路。一般是从主电路的直流回路（C1、C2两端）取得530V直流供电，经DC-AC-DC变换，取得+5V、+15V、-15V、24V等几路稳定直流电压，供控制电路的工作电源。IGBT驱动电路所需的4路或6路驱动电源也由开关电源供给。

2）驱动电路。MCU引脚输出的6路脉冲信号由缓冲电路输入至驱动电路，经光电转换和隔离、功率放大后，用于驱动IGBT，使之按一定规律导通和截止，将DC530V电源逆变成三相交流电压输出。

3）电流、电压、功率模块温度、OC故障等检测电路。从主电路的直流回路取得电压检测信号，用于直流电压值显示以及过电压、欠电压报警和停机保护等；从U、V、W输出端串接电流互感器（霍尔元件及电路），对输出电流进行检测，用于运行电流显示、输出控制、过载报警与停机保护等；温度传感器安装于散热片上，检测逆变功率模块的温度变化，异常时实施超温报警和停机保护，并控制散热风扇的运转；驱动电路一般有IGBT的故障检测功能，逆变功率电路工作异常时，产生OC信号，用于报警和停机保护。

4）操作控制电路。变频器的控制端子内部电路（包括辅助电源、数字/模拟输入/输出电路）、操作显示面板等电路，对变频器完成起、停、通信等控制功能。面板并且有运行状态监控功能。

5）MCU基本电路。以上3）、4）电路的检测信号和控制信号，最后都输入MCU，进行软件程序处理后，输出6路脉冲信号和相关控制信号。MCU器件作为“指挥中心”，对整机的正常工作进行有序的协调，集中处理输入、输出信号。+5V工作电源、复位电路、晶振电路、外挂存储器电路等形成MCU工作的基本条件，故称为MCU基本电路。从维修角度考虑，MCU的接口电路、操作显示电路等也并入其基本电路的范畴之内。故障检修中，确定该部分电路正常，是检修其他故障电路的前提。

变频器产品是电力电子（高电压、大电流）器件和微电子（微控制器）技术成熟后密切结合的产物，在一定程度上体现了当今的电子科技水平，是弱电和强电、软件和硬件的有机结合。它强大的功能，各种完善的检测和保护电路，控制上的智能化和灵活多变，它的微电子技术和电力半导体器件的结合应用，它的电路元器件的非通用性和特殊要求，说明这类机器智能化电气设备的特点，因而应用维护、故障检修思路和方法也有其独特性。