变频器内部控制电路详解

7.1.3.1 控制电路总框图

变频器内部的控制框图如图7-4所示。其主要部分有：

1.主控电路

图7-4 变频器的内部控制框图

这是控制电路的核心，相当于人的大脑。里面的主要部件是计算机的中央处理器CPU。

2.开关电源

向控制电路的各部分提供稳定的直流电源。

3.采样与检测电路

对变频器的各项运行数据进行实时的检测。

4.输入和输出电路

向变频器输入给定信号和各种运行指令的输入电路，以及输出变频器运行状态的电路。

5.操作面板

（1）显示屏

在运行模式下，显示变频器的各种运行数据；在编程模式下，显示功能码和数据码。

（2）键盘

向变频器发出给定信号和各种操作指令。

7.1.3.2 外接控制端子

1.外接输入控制端

图7-5 外接输入控制端

a）输入控制端 b）模拟量输入电路 c）开关量输入电路

（1）模拟量输入端

主要用于输入频率给定信号，如图7-5a中之AVI端所示，其内部电路如图7-5b所示。

（2）开关量输入端

用于输入各种开关指令，如起动、停止、加速、减速等，其内部电路如图7-5c所示。

2.外接输出控制端

（1）模拟量输出端

主要用于输出外部测量信号，如电流、频率等，也可用于其他控制，如图7-6a中之FM所示。

图7-6 外接输出控制端

a）输出控制端安排 b）内部控制电路

（2）开关量输出端

有两种情况：

1）继电器输出

可用于电压较高的交流电路中。如图7-6a中之A、B、C端所示。

2）晶体管输出

只能用于低压直流电路中，如图7-6a中之Y1、Y2端所示。

它们的内部电路如图7-6b所示。

7.1.3.3 开关电源

开关电源的全称是高频开关稳压电源，在变频器里用于为控制电路的各部分提供电压稳定的直流电源。

1.一次电源

图7-7 开关电源的输入侧

a）取自直流回路 b）取自电源 c）取自电源的外部接法

变频器里，向开关电源的一次绕组提供电源的方式主要有两种：

（1）直流回路供电

从变频器内部的直流回路向开关电源提供电源，如图7-7a所示。从电路上说，这种方式比较简单，但必须在变频器接通电源后，开关电源才开始工作。所以，这种方式一般不允许变频器上电起动。

（2）单独供电

从主接触器KM的前面通过变压器降压后向开关电源供电，如图7-7b所示。其外部接线如图7-7c所示。这种方式的开关电源比变频器先得电，可以使控制电路事先做好准备工作后再让变频器通电。毫无疑问，这种方式是允许变频器上电起动的。

2.二次绕组

如图7-8所示，除了N1是一次高压绕组外，其余都是二次的低压绕组，它们是：

（1）自激电源

如图7-8中之N2，用于为PWM发生器提供电源。

（2）CPU电源

图7-8 变频器开关电源的二次绕组

如图7-8中之N3，用于为CPU提供5V电源，是控制电路中对稳定度要求最高的电源，所以采用π形滤波电路，稳定电压的采样电压也由此取出。就是说，控制电压的是否稳定主要看5V电压。

（3）±15V电源

如图7-8中之N4和N5，主要用于为频率给定电路提供电源。

（4）24V电源

各种变频器一般都为用户提供24V电源，以便用作传感器或低压控制电路的电源。(www.xing528.com)

（5）驱动电源

为IGBT管的驱动电路提供电源。驱动电源又分两种情况：

1）上臂驱动电源

因为逆变桥上桥臂的三个逆变管分别和输出的U、V、W相连接，故三个电源的二次绕组必须分开，互相间是绝缘的，如图7-8中之N7、N8和N9所示。

2）下臂驱动电源

因为逆变桥下桥臂的三个逆变管的发射极都和直流电路的负端N相接，故可以共用一个电源，变压器的二次绕组如图7-8中之N10所示。

图7-9 基本驱动电路

a）驱动电路 b）驱动电压

7.1.3.4 IGBT的驱动电源

1.基本驱动电路

基本的驱动电路如图7-9a所示，说明如下：

当得到开通信号时，A点为高电位，VT₁导通而VT₂截止，IGBT的G、E间得到正向驱动电压+15V，IGBT饱和导通，如图7-9b中的①区所示。

当得到关断信号时，A点为低电位，VT₁截止而VT₂导通，IGBT的G、E间得到反向偏置电压为-10V，IGBT截止，如图7-9b中的②区所示。

G、E间的稳压管VS₁和VS₂是保护用的，使U_GE不超过允许范围。

2.集成驱动电路示例

以EXB系列的驱动模块为例，其框图如图7-10所示。各引脚的功能如下：

（1）电源端

2脚是电源“+”端，9脚是电源“-”端。

（2）信号输入端

15脚是输入信号的“+”端，14脚是输入信号的“-”端。

（3）信号输出端

3脚接IGBT的G极，1脚为+5V输出，接IGBT的E极。

（4）过电流保护端

图7-10 EXB系列驱动模块

6脚用于过电流保护，正常情况下，6脚电位等于IGBT的饱和压降，只有3V左右，二极管VD₁是导通的。

过电流或短路时，IGBT的C、E间的电压降将迅速上升至7V，6脚电位上升。这时：

VD₁截止，运算放大器A₂的采样电压U_S将大于基准电压U_R，B点由高电位变成低电位。经整理电路整理后：

一方面，将A点的电位转换成低电位，使IGBT管迅速截止；

另一方面，使5脚电位下降，通过光耦合器PC₂把相关信号告诉CPU，使故障继电器动作，并显示故障代码。

7.1.3.5 检测电路

1.电流的检测

（1）从直流回路采样

在直流回路中串联两个30mΩ的电阻，利用直流电流在该两电阻上的电压降进行测量，如图7-11a所示。

图7-11 电流的检测

a）从直流电路检测 b）用霍尔元件检测

（2）利用霍尔元件采样

把一个线圈缠绕在高频磁心上，高频磁心的一侧开一个口，把霍尔芯片镶嵌在里面，将被测电流通入线圈，则被测电流I_X的大小，将决定高频磁心里磁场的大小，也就决定了霍尔芯片感应出的霍尔电动势U_H的大小，如图7-11b所示。

2.电压的检测

（1）直接采样

即直接从直流电压上取样，如图7-12a所示。图中的PC是集成光耦合电路，一方面，使强电和弱电之间可靠隔离；另一方面，也提高了检测的灵敏度。

（2）间接采样

如图7-12b所示，开关电源二次绕组N2的感应电动势经二极管整流，并经电阻分压后，得到脉冲序列。因为开关电源二次绕组所得电压的峰值是和直流电压U_D成正比的。

图7-12 电压的检测

a）直接采样 b）间接采样

3.温度的检测

（1）内置热敏电阻

把半导体热敏电阻（NTC）封装在逆变模块里靠近IGBT芯片的位置，如图7-13a所示。半导体热敏电阻通常呈负温度系数特性，即温度越高，电阻值越小。

采用内置热敏电阻的保护电路如图7-13b所示。

图7-13 温度的检测电路

a）内置热敏电阻 b）控制电路

（2）采用临界热敏电阻

临界温度热敏电阻（CTR）也叫温度继电器，其特点是，温度低于临界温度时，电阻值很大，相当于继电器断开；而当温度上升到高于临界温度（如85℃）时，电阻值急剧下降，相当于继电器闭合，如图7-14a）所示。控制电路如图b）所示，CTR串联在光耦合器的发光二极管电路里。当温度低于临界温度时，因为电阻值很大，光耦合器里发光二极管的电流几乎为0A，光敏三极管处于截止状态，输出电压为高电平；当温度高于临界温度时，因为电阻值急剧下降，光耦合器里发光二极管导通，光敏三极管处于饱和导通状态，输出电压为低电平。

图7-14 采用温度继电器的保护电路

a）温度继电器特性 b）保护电路