变频器的结构及原理介绍

1.主电路

变频器给负载提供调压调频电源的功率变换部分称为变频器的主电路，图1-3示出了典型电压型变频器的主电路。其主电路由三部分构成，将工频电源变换为直流的整流器，吸收整流器、逆变器产生的电压脉动的平波回路，以及将直流变换为交流的逆变器。另外，若负载为异步电动机，在变频调速系统需要制动时，还需要附加制动回路。

图1-3 典型电压型变频器的主电路

（1）整流器

变频器一般使用的是二极管整流器，如图1⁃3所示，也可用两组晶体管整流器构成可逆变整流器，由于可逆变整流器功率方向可逆，可以进行再生运行。它与单相或三相交流电源相连接，产生脉动的直流电压，经中间直流环节平波后为逆变电路和控制电路提供所需的直流电源。三相交流电源一般需经过吸收电容和压敏电阻网络引入整流桥的输入端。阻容吸收网络的作用是吸收交流电网的高频谐波信号和浪涌过电压，从而避免由此而损坏变频器。当电源电压为三相380V时，整流器件的最大反向电压一般为1200～1600V，最大整流电流为变频器额定电流的两倍。

（2）平波回路

在整流器整流后的直流电压中含有电源6倍频的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。对于容量较小的变频器，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感而采用简单的平波回路。平波回路有以下三种作用：

1）使脉动的直流电压变得稳定或平滑，供逆变器使用。

2）通过开关电源为各个控制电路供电。

3）可以配置滤波或制动装置以提高变频器的性能。

逆变器的负载是属感性负载的异步电动机，无论异步电动机处于电动或发电状态，在直流滤波电路和异步电动机之间，总会有无功功率的交换，这种无功能量要靠直流中间电路的储能元件来缓冲。同时，三相整流桥输出的电压和电流属直流脉冲电压和电流。为了减小直流电压和电流的波动，直流滤波电路起到对整流电路的输出进行滤波的作用。通用电压型变频器直流滤波电路的大容量铝电解电容，是由若干个电容器串联和并联构成的电容器组，以得到所需的耐压值和容量。另外，因为电解电容器容量有较大的离散性，这将使它们的电压不相等。因此，电容器要各并联一个匀压电阻，消除离散性的影响，但电容器的寿命则会严重制约变频器的寿命。

（3）逆变器

利用晶闸管装置将直流电转变为交流电，这一功能就叫逆变。整流和逆变关系密切，若同一套晶闸管装置，可以工作在整流状态，而在一定条件下，又可以工作在逆变状态，常称这一装置为变流器。逆变分为有源逆变和无源逆变（变频），变流器工作在逆变状态时，若把直流电转变为50Hz的交流电送到电网，称之为有源逆变；若把直流电转变为某一频率或频率可调的交流电供给负载使用，则称之为无源逆变或变频。

逆变电路的作用是在控制电路的作用下，将直流电路输出的直流电源转换成频率和电压都可以任意调节的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出，所以逆变电路是变频器的核心电路之一，起着非常重要的作用。最常见的逆变电路的结构形式是利用6个功率开关器件（GTR、IGBT、GTO等）组成的三相桥式逆变电路，有规律地控制逆变器中功率开关器件的导通与关断，可以得到任意频率的三相交流输出。

中小容量变频器的主回路器件一般采用集成模块或智能模块。智能模块的内部高度集成了整流模块、逆变模块、各种传感器、保护电路及驱动电路。如西门子公司生产的BSM50GD120等，模块的典型开关频率为20kHz，保护功能有欠电压、过电压和过热保护及过电流保护。

在逆变电路中都设置有续流电路，续流电路的功能是当频率下降时，异步电动机的同步转速也随之下降，其为异步电动机的再生电能反馈至直流电路提供通道。在逆变过程中，为寄生电感释放能量提供通道。另外，当位于同一桥臂上的两个开关，同时处于导通状态时将会出现短路现象，并损坏换流器件。所以在实际的通用变频器中还设有缓冲电路等各种相应的辅助电路，以保证电路的正常工作和在发生意外情况时，对换流器件进行保护。

图1-4 变频器控制电路

（4）制动回路

异步电动机负载运行于再生制动区域时（转差率为负），再生能量储存于平波回路电容器中，使直流环节电压升高。一般说来，由机械系统（含电动机）惯量积累的能量比电容器能储存的能量大，为抑制直流电路电压上升，需采用制动回路消耗直流电路中的再生能量，制动回路也可采用可逆整流器把再生能量向工频电网反馈。

2.变频器控制电路的构成

变频器的控制电路是给变频器主电路提供控制信号的回路，变频器控制电路如图1-4所示，它将信号传送给整流器、中间电路和逆变器，同时它也接收来自这些部分的信号。其主要组成部分是：输出驱动电路、操作控制电路等。其主要功能是：

1）利用信号来开关逆变器的半导体器件。

2）提供操作变频器的各种控制信号。

3）监视变频器的工作状态，并提供各种保护驱动信号。

（1）控制电路(www.xing528.com)

控制电路包括频率、电压的运算电路、主电路的电压/电流检测电路、电动机的速度检测电路、将运算电路的控制信号进行放大的驱动电路以及逆变器和负载的保护电路。

1）运算电路。运算电路的功能是将变频器的电压、电流检测电路的信号及变频器外部负载的非电量（速度、转矩等经检测电路转换为电信号）信号与给定的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。

2）电压、电流检测电路。变频器的电压、电流检测电路是采用电隔离检测技术来检测主回路的电压、电流，检测电路对检测到的电压、电流信号进行处理和转换，以满足变频器控制电路的需要。

3）驱动电路。驱动电路由隔离放大电路、驱动放大电路和驱动电路电源组成，3个上桥臂驱动电路采用3个独立驱动电源电路，3个下桥臂驱动电路采用一个公共的驱动电源电路。驱动电路是将主控电路中CPU产生的6个PWM信号，经光电隔离和放大后，为逆变电路的换流器件（逆变模块）提供驱动信号。对驱动电路的各种要求，因换流器件的不同而异。同时，一些开发商开发了许多适合各种换流器件的专用驱动模块。有些型号的变频器直接采用专用驱动模块。变频器驱动电路的功能是在控制电路的控制下，产生足够功率的驱动信号使主电路开关器件导通或关断，控制电路是采用电隔离技术实现对驱动电路的控制。

4）I/O（输入/输出）电路。变频器的I/O（输入/输出）电路的功能是为了使变频器更好地实现人机交互。变频器具有多种输入信号（如运行、多段速度运行等），还有各种内部参数的输出（如电流、频率、保护动作驱动等）信号。

5）速度检测电路。速度检测电路以装在异步电动机轴上的速度检测器（TG、PLG等）为核心，将检测到的电动机速度信号进行处理和转换，送入运算回路，可使电动机按指令给定的速度运转。

6）主控板上的通信电路。当变频器由可编程序控制器或上位计算机、人机界面等进行控制时，必须通过通信接口相互传递信号。变频器通信时，通常采用两线制的RS-485接口。两线分别用于传递和接收信号，变频器在接收到信号后或传递信号之前，这两种信号都经过缓冲器A1701、75176B等集成电路，以保证良好的通信效果。所以，变频器主控板上的通信电路主要是指这部分电路，还有信号的抗干扰电路。

7）外部控制电路。变频器外部控制电路主要是指频率设定电压输入，频率设定电流输入、正转、反转、点动及停止运行控制、多档转速控制。频率设定电压（电流）输入信号通过变频器内的A-D转换电路输入至CPU。其他一些控制通过变频器内输入电路的光耦隔离输入至CPU。

（2）开关电源电路

开关电源电路向操作面板、主控板、驱动电路及风机等提供低压电源，直流高压P端加到高频脉冲变压器一次侧，开关调整管串接脉冲变压器另一个一次侧后，再接到直流高压N端。开关管周期性地导通、截止，使一次侧直流电压变换为矩形波，由脉冲变压器耦合到二次侧，再经整流滤波后，获得相应的直流输出电压。它又对输出电压取样比较，去控制脉冲调宽电路，以改变脉冲宽度的方式，使输出电压稳定。

（3）保护电路

当变频器出现异常时，为了使变频器因异常而造成的损失减少到最小，甚至减少到零，为此变频器都设有保护功能。较典型的是过电流检测保护电路，由电流取样、信号隔离放大和信号放大输出三部分组成。变频器的保护电路是通过检测主电路的电压、电流等参数来判断变频器的运行状况，当发生过载或过电压等异常时，为了防止变频器的逆变电路的功率器件和负载损坏，使变频器中的逆变电路停止工作或抑制输出电压、电流值。变频器中的保护电路，可分为变频器保护和负载（异步电动机）保护两种，保护功能见表1-2。

表1-2 保护功能

变频器的保护功能有：

1）瞬时过电流保护。在变频器的逆变器负载侧发生短路时，流过逆变器开关器件的电流达到异常值（超过容许值）时，瞬时过电流保护动作停止逆变器运行。当整流器的输出电流达到异常值，也同样停止逆变器运行。

2）过载保护。在变频器的逆变器输出电流超过额定值，且电流持续时间达到设定值以上时，为了防止逆变器的开关器件损坏，过载保护动作停止逆变器运行。过载保护需要反时限特性，通常采用热继电器或者电子热保护（由电子电路构成）。

3）再生过电压保护。变频调速系统在电动机快速减速时，由于再生功率使变频器的直流电路电压升高，有时会超过容许值。对此可采取停止逆变器运行或停止快速减速的方法，防止变频器过电压。

4）瞬时停电保护。对于数毫秒以内的瞬时停电，变频器控制电路是可以正常工作的。但瞬时停电时间在10ms以上时，通常不仅控制电路误动作，主电路也不能供电，所以变频器应设置瞬时停电保护，在发生瞬时停电后使变频器的逆变器停止运行。

5）接地过电流保护。变频器的负载接地时，为了保护逆变器需要设置接地过电流保护功能。但为了确保人身安全，还需要装设漏电断路器。

6）冷却风机异常。有冷却风机的变频器，当风机异常时变频器内温度将上升，因此采用风机热继电器或功率器件散热片温度传感器，检出异常后停止变频器逆变器运行。

7）防止失速过电流。变频调速系统在急加速时，如果异步电动机跟踪迟缓，则过电流保护电路动作，运转就不能继续进行（失速）。所以，在负载电流减小之前要进行控制，抑制频率上升或使频率下降。对于恒速运转中的过电流，有时也用同样的方法控制。

8）防止失速再生过电压。变频调速系统在减速时产生的再生能量使主电路直流电压上升，为了防止再生过电压电路保护动作，在直流电压上升之前要进行控制，抑制频率下降，防止调速系统失速。

负载保护的功能有：

1）过载保护。负载过载检出单元与变频器的逆变器过载保护共用，但考虑变频调速系统电动机在低速运转时过热，在异步电动机定子内埋入温度传感器，或者利用装在逆变器内的电子热保护来检出电动机的过热。当电动机过载保护动作频繁时，可以考虑减轻电动机负载、增加电动机及变频器容量等。

2）超额（超速）保护。变频器的输出频率或者变频调速系统电动机的速度超过规定值时，超额（超速）保护动作，停止变频器运行。