變頻器的構(gòu)成

一、 主電路

　　給異步電動機提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，稱為主電路。圖1示出了典型的電壓逆變器的例子。其主電路由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。另外，異步電動機需要制動時，有時要附加“制動回路”。

圖1 典型的電壓型逆變器一例

　　1.整流器 最近大量使用的是二極管的變流器，如圖1所示，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構(gòu)成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進行再生運轉(zhuǎn)。

　　2.平波回路  在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電感和電容吸收脈動電壓（電流）。裝置容量小時，如果電源和主電路構(gòu)成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波回路。

　　3.逆變器   同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時間使6個開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷就可以得到3相交流輸出。圖2以電壓型PWM逆變器為例示出開關(guān)時間和電壓波形。

圖2 電壓型逆變器的輸出電壓{{分頁}}

　　4.制動回路   異步電動機在再生制動區(qū)域使用時（轉(zhuǎn)差率為負），再生能量儲存于平波回路電容器中，使直流電壓升高。一般說來，由機械系統(tǒng)（含電動機）慣量積蓄的能量比電容能儲存的能量大，需要快速制動時，可用可逆變流器向電源反饋或設(shè)置制動回路（開關(guān)和電阻）把再生功率消耗掉，以免直流電路電壓上升。

　　5.異步電動機的四象限運行  根據(jù)負載種類，所需要的異步電動機旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)矩方向是不同的，必須根據(jù)負載構(gòu)成適當(dāng)?shù)闹麟娐贰?/P>

　　圖3所示，為采用電壓型逆變器傳動的異步機四象限運轉(zhuǎn)與主電路構(gòu)成的關(guān)系。在Ⅰ、Ⅲ象限異步電動機的轉(zhuǎn)矩方向與旋轉(zhuǎn)方向一致，為電動狀態(tài)。Ⅰ象限是正轉(zhuǎn)的電動運轉(zhuǎn)，Ⅲ象限是反轉(zhuǎn)的電動運轉(zhuǎn)。在Ⅱ、Ⅳ象限其轉(zhuǎn)矩方向與旋轉(zhuǎn)方向相反，為再生狀態(tài)。Ⅱ象限為正轉(zhuǎn)的再生運轉(zhuǎn)，Ⅳ象限為反轉(zhuǎn)的再生運轉(zhuǎn)。只需要圖a的電動運轉(zhuǎn)時，則只需由電源向異步電動機供給功率，可使用不可逆變流器。像圖b那樣，對于減速時需要制動力的負載，功率就必須從異步電動機向逆變器流傳，可附加制動回路以便能在Ⅱ、Ⅳ象限使用。另外，對于需要急加減速并且加減速頻繁的場合（例如電梯），或者對于制動為主要目的的場合，可以采用可逆變流器，實現(xiàn)Ⅰ～Ⅳ的四象限運轉(zhuǎn)。此時，能量向電源反饋而節(jié)能。

圖3 采用電壓型逆變器的四象限運轉(zhuǎn)

a)為不可逆變流器時  b)帶制動回路時   c)為可逆變流器時

　　以上，以電壓型逆變器為例說明了主電路的構(gòu)成。對于電流型逆變器，如前章所述，用不可逆整流器也能實現(xiàn)四象限運轉(zhuǎn)。

二、 控制電路

　　給異步電動機供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號的回路，稱為控制電路。如圖4所示，控制電路由以下電路組成，頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓、電流檢測電路”，電動機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制信號進行放大的“驅(qū)動電路”，以及逆變器和電動機的“保護電路”。

圖4 變頻器的構(gòu)成{{分頁}}

　　在圖4點劃線內(nèi)，僅以控制電路A部分構(gòu)成控制電路時，無速度檢測電路，為開環(huán)控制。在控制電路B部分增加了速度檢測電路，即增加了速度指令，可以對異步電動機的速度進行更精確的閉環(huán)控制。

　　(1)運算電路   將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。

　　(2)電壓、電流檢測電路   與主回路電位隔離檢測電壓、電流等。

　　(3)驅(qū)動電路   為驅(qū)動主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導(dǎo)通、關(guān)斷。

　　(4)速度檢測電路   以裝在異步電動機軸機上的速度檢測器(TG、PLG等)的信號為速度信號，送入運算回路，根據(jù)指令和運算可使電動機按指令速度運轉(zhuǎn)。

　　(5)保護電路   檢測主電路的電壓、電流等，當(dāng)發(fā)生過載或過電壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。

　　逆變器控制電路中的保護電路，可分為逆變器保護和異步電動機保護兩種，表1為保護功能一覽。

表1 保護功能一覽

1.逆變器保護

　　(1)瞬時過電流保護   由于逆變器負載側(cè)短路等，流過逆變器器件的電流達到異常值（超過容許值）時，瞬時停止逆變器運轉(zhuǎn)，切斷電流。變流器的輸出電流達到異常值，也同樣停止逆變器運轉(zhuǎn)。

　　(2)過載保護   逆變器輸出電流超過額定值，且持續(xù)流通達規(guī)定的時間以上，為了防止逆變器器件、電線等損壞要停止運轉(zhuǎn)。恰當(dāng)?shù)谋Ｗo需要反時限特性，采用特繼電器或者電子熱保護（使用電子電路）。過負載是由于負載的GD²（慣性）過大或因負載過大使電動機堵轉(zhuǎn)而產(chǎn)生。{{分頁}}

　　(3)再生過電壓保護   采用逆變器使電動機快速減速時，由于再生功率直流電路電壓將升高，有時超過容許值?？梢圆扇⊥Ｖ鼓孀兤鬟\轉(zhuǎn)或停止快速減速的辦法，防止過電壓。

　　(4)瞬時停電保護   對于數(shù)毫秒以內(nèi)的瞬時停電，控制電路工作正常。但瞬時停電如果達數(shù)10ms以上時，通常不僅控制電路誤動作，主電路也不能供電，所以檢出后使逆變器停止運轉(zhuǎn)。

　　(5)接地過電流保護   逆變器負載側(cè)接地時，為了保護逆變器有時要有接地過電流保護功能。但為了確保人身安全，需要裝設(shè)漏電斷路器。

　　(6)冷卻風(fēng)機異常   有冷卻風(fēng)機的裝置，當(dāng)風(fēng)機異常時裝置內(nèi)溫度將上升，因此采用風(fēng)機熱繼電器或器件散熱片溫度傳感器，檢出異常后停止逆變器。在溫度上升很小對運轉(zhuǎn)無防礙的場合，可以省略。

2.異步電動機的保護

　　(1)過載保護   過載檢出裝置與逆變器保護共用，但考慮低速運轉(zhuǎn)的過熱時，在異步電動機內(nèi)埋入溫度檢出器，或者利用裝在逆變器內(nèi)的電子熱保護來檢出過熱。動作頻繁時，可以考慮減輕電動機負載、增加電動機及逆變器容量等。

　　(2)超頻（超速）保護   逆變器的輸出頻率或者異步電動機的速度超過規(guī)定值時，停止逆變器運轉(zhuǎn)。

3.其他保護

　　(1)防止失速過電流  急加速時，如果異步電動機跟蹤遲緩，則過電流保護電路動作，運轉(zhuǎn)就不能繼續(xù)進行（失速）。所以，在負載電流減小之前要進行控制，抑制頻率上升或頻率下降。對于恒速運轉(zhuǎn)中的過電流，有時也進行同樣的控制。

　　(2)防止失速再生過電壓   減速時產(chǎn)生的再生能量使主電路直流電壓上升，為了防止再生過電壓保護電路動作，在直流電壓下降之前要進行控制，抑制頻率下降，防止不能運轉(zhuǎn)（失速）。