变频器硬件电路的构成解析

变频器控制电路的最终目的是在U/f或矢量控制模式下，生成并输出六路PWM脉冲信号，用于驱动主电路IGBT器件，以完成对直流电源（由3～380V电源整流滤波后获得）的逆变输出，将此频率/电压可变的“新电源”提供给负载电动机。

U/f控制模式的实现和PWM脉冲信号的形成，当然可以由硬件电路来完成，但随着单片机技术的进步和由硬件电子电路来完成以上任务，有着难以克服的缺点，成熟产品往往是用软件（计算）方法，落实设计思想并生成PMW脉冲信号。控制主板均采用MCU或DSP器件，其相关软件技术是制造厂商的核心技术所在，有着严格的保密措施，对软件开发人员以外的“外人”来说，其软件程序是难以接触也难以窥见的。变频器的软件控制这一块，限于以上原因，本书是无法涉及的。

变频器的硬件电路，包含主电路和控制电路两大部分，前者用于完成整流、逆变、功率输出的作用，后者的主要任务是生成逆变功率电路所需的六路脉冲信号，并承担故障故障检测、停机保护和操作控制等。

变频器的整机电路构成如图6-2所示，由主电路和控制电路两大部分组成。其中主电路可分为整流、滤波（储能）和逆变输出3个环节；控制电路可分为开关电源、MCU基本电路、各种信号检测与控制信号输出电路、驱动电路等。

1.变频器的主电路（参见图6-2的上半部分电路）

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）构成，在整流电路和储能电容之间，还增设一个由限流电阻R1、KM1接触器主触头的预充电（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。逆变功率电路由Q1～Q6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，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。

图6-2 变频器整机电路框图

图6-3 变频器的主电路简图

变频器的主电路结构还有如图6-3所示电路结构。整流电路采样三相半控桥，形成无触点开关，以取代接触器，提高工作可靠性。上电期间，R端输入380V电压→经D4整流二极管→充电限流电阻R1限流→P端外置直流电抗器L（或短路连接片）→P1端至主电路的直流回路→二极管D3至T端的C1、C2的限流充电回路，当C1、C2上电压值随充电过程的进行升高至450V左右时，控制电路的开关电源电路起停工作，晶闸管VT1～VT3获得触发电流而导通，充电过程结束，变频器进入正常待机状态。

2.变频器的控制电路（参见图6-2下半部分电路）

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驱动电路所需的四路或六路驱动电源，也由开关电源供给。

2）驱动电路。MCU引脚输出的六路脉冲信号，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、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、停以及通信等控制功能。面板并且有运行状态监控功能。

5）MCU基本电路。以上3）、4）所述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，输出六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。

变频器产品是电力电子（高反压、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，说明着这类机器的智能化电气设备的特点。

从设计角度着手，变频器的控制电路，进而可分为三大板块：

1）电源电路和驱动电路（功率电路/强电电路部分，参见图6-4）。

变频器的控制电路和驱动电路需要多路直流稳压供电电源，因而开关电源电路的开关变压器也为多绕组器件。其一次侧电路由开关、振荡、稳压电路构成，采用专用电源芯片和功率开关管完成振荡和逆变、功率输出任务。工作方式为单端反激式——开关管截止时，二次绕组和负载电路释放电能。开关变压器起到功率传递、电磁转换和电气隔离的作用。

开关变压器的L1绕组为一次工作绕组；L2为开关/振荡/稳压电路的自供电绕组；L3绕组输出电压经后级整流滤波后，取得+5V供电，提供MCU芯片及MCU接口电路、操作显示面板的供电。同时+5V又作为稳压反馈信号，经光耦隔离，输入开关电源的一次侧开关/振荡/稳压电路；L4绕组及后续电路，输出24V电源，作用变频器的控制端子的辅助电源，及工作继电器线圈的供电；L5、L6绕组及后续电路输出的+15V、-15V电源，则提供电流、电压、温度等信号检测电路中模拟（集成运算放大器）电路的工作电压。

图6-4 开关电源和脉冲驱动电路示意图

驱动电路因为直接与主电路的IGBT器件产生联系，需要4路（或6路）独立的、与控制电路不共地（无电气联系）的供电电源。因逆变功率电路的下三桥臂功率管VT2、VT4、VT6的发射极共N点，故其驱动脉冲电路可以共地，因而U-、V-、W-等3路驱动电路，可以共用一个驱动电源。

2）MCU基本条件电路和外围控制电路（智能控制核心，参见图6-5）。

图6-5点画线框内为MCU外围的供电电源、外接晶振（与MCU内部反相器构成振荡器）、复位控制电路，称为MCU的基本条件电路，操作显示面板具有系统状态监控与操作功能，也可一并列入基本条件电路以内。

图6-5 MCU基本条件电路和外围控制电路框图(www.xing528.com)

变频器的控制端子电路用于起、停和调速，故障复位、变频器运行状态信号输出等，输入开关量和模拟量的控制信号，也具备开关量和模拟量两种信号的输出（表征着变频器的运行状态，输出频率值等），另外，增设一路RS485通信电路，可与上位机（如PLC或多台变频器之间）构成自动控制系统。

由故障检测电路来的电流、电压、温度（和充电接触器的工作状态）检测信号，多为开关量信号，输入至MCU的I/O口，系统运行异常时，实施调控、报警显示、停机保护等动作。MCU的相关I/O口，在变频器的上电和运行过程中，输出充电接触器闭合、散热风机运转等开关量控制信号。

MCU的6路PWM脉冲信号输出端子输出PWM脉冲信号至后级驱动电路，经功率放大后驱动IGBT。

3）故障检测电路（保护电路）。

变频器的故障检测电路主要针对IGBT功率模块的异常工作状态进行检测，通过对IGBT运行电流、工作电压、IGBT模块温度等的检测，和对检测信号的处理，实施降低运行频率（减小运行电流）、停止PWM脉冲信号的传输等保护措施，最终实现对IGBT功率模块的保护。

①输出电流检测电路。变频器对输出电流信号的处理过程如图6-6所示，从变频器的U、W输出端由电子型电流互感器或电流采样电阻取得的UI信号1、WI信号1，先经电源/驱动板上的前级放大电路（由运算放大器组成）进行缓冲和放大（或经比例衰减）后，得到UI信号2和WI信号2，经排线端子送入MCU主板电路。送入后级电路的UI信号2和WI信号2，先是由运算放大器组成的加法器电路“合成”后得到VI信号1（由三相交流电的原理可知，任两相电压的矢量和即为第三相的电压值/电工理论），然后UI信号2、WI信号1、VI信号2这3个电流检测信号，再分为3路，分别由后续电路处理为模拟电压信号和开关量数字信号，送入MCU的相关引脚。

图6-6 输出电流检测电路信号处理流程图

模拟量电流检测信号：

模拟信号放大电路（为放大器或精密整流电路）将输入3个电流检测信号进一步放大（或衰减）后，形成0～5V以内MCU模拟信号输入端所需的信号电压，经内部程序运算处理：

a用于实时显示输出电流值。MCU处理后输出信号以通信方式输送至操作显示面板，显示运行电流值。

b用于VVV/F控制。MCU处理后，用于对输出电压/电流的控制。

c部分机型也用于过电流故障报警。

d电流检测电路本身损坏后，部分机型上电即报“控制电路硬件故障”。一般机型误报过电流故障。

开关量电流检测信号1：

3路电流检测信号送入由运算放大器组成的加法电路，当3路信号都正常（输出三相电流平衡）时，信号的矢量和为零，后级电压迟滞比较器电路不动作；当3路电流检测信号的相位差值增大时，加法电路产生信号电压输出，后级电压迟滞比较器电路的状态翻转，产生“接地故障”信号，输入MCU电路，停机保护，并给出故障报警。

IUVW综合电流信号和开关量电流检测信号2：

3路电流检测信号先送入模拟放大电路，混合处理形成IUVW综合电流检测信号，该电路不再区分是哪一相电流，只注意电流峰值的大小。IUVW综合电流信号送入后级梯级（迟滞）电压比较器电路，与“轻度过电流”和“重度过电流”两个电流基准值相比较，输出“轻度过电流”和“重度过电流”两个过电流报警的开关量信号，送入MCU的I/O数字口引脚，MCU对两个信号实施不同的处理方式：

“轻度过电流”信号的处理方式。“轻度过电流”信号产生时，变频器并不马上停机保护，而是经过一个适时的延时时间，如果“轻度过电流”信号能够消失，则继续运行；若在延时时间到达后，故障信号仍存在，则报出OL（或OL1）过电流故障，同时产生停机保护动作。对“轻度过电流”信号如此处理，可以在不危及IGBT模块安全的前提下，避免不必要的停机保护动作。

“重度过电流”信号的处理方式。“重度过电流”信号发生时，相比较“轻度过电流”信号而言，有一个较短时间的延时（部分机型则无延时停机），若延时到，仍存在故障信号，则报出OL（或OL2）过电流故障，停机保护。

②电压检测电路。电路检测电路的构成（信号流程）如图6-7所示。目的是采样与监

图6-7 电压检测电路的构成（信号流程）框图

控直流流回路（P、N端）DC530V电压的高低，供电异常时，由MCU判断后，给出调控、过/欠电压报警、起动直流制动、停机保护等控制。

直接对P、N端DC530V整流后电源电压进行采样，形成电压检测信号。对直流电压的采样，可选用图6-7中的a或b方式。a采样方式为：将直流回路P、N端的DC530V电压，直接经电阻分压，取得约mV级的分压信号，经线性光耦合器和运算电路相配合，进行光电隔离与线性放大后，送往后级电压检测电路；b采样方式为：由开关变压器的二次绕组，取得“间接”直流回路电压采样信号，送往后级模拟电路做进一步的处理。

前级采样电压信号一路经过模拟电路进行线性放大（或衰减）后，送入MCU芯片的模拟信号输入脚，用于电压显示、程序控制之用；一路送入后级电压比较器电路，与基准电压相比较，取得过、欠电压开关量故障报警信号，送入MCU的I/O口，用于故障报警、起动直流制动、停机保护之用。

另外，还可以增设对R、S、T输入三相电源的断相检测电路，和增设对U、V、W输出端输出电压的断相检测电路，用于故障报警和停机保护。

另外，检测充电接触器的工作状态（检测其辅助触点的接触状态），用于欠电压报警。