變頻器的主電路(一)

1、小孫學變頻一一第一講變頻器的主電路小孫是藍天公司的電氣工程師，多年來從事電子設備的維修工作。近幾年來，各種設備里應用的變頻器越來越多，小孫被安排來專門從事變頻器的調(diào)試和維護。這一天，小孫從倉庫里領出了一臺變頻器，打算配用到鼓風機上。按照規(guī)定，先通電測試一下。誰知一通電，就發(fā)現(xiàn)冒煙，立刻切斷了電源。把蓋打開后，發(fā)現(xiàn)有一個電阻很燙。小孫想，在開 蓋情況下再通電觀察一次。這一回，電阻倒是不冒煙了，但不一會兒，變頻器便因“欠壓”而跳 閘了。用萬用表一量，那個電阻已經(jīng)燒斷了。經(jīng)人介紹，小孫找到了一位退休老高工張老師?！澳銈兡桥_變頻器在倉庫里存放了多長時間？”聽完了小孫的情況介紹后，張老師問?！按蠹s一年多

2、一點?！薄拔抑懒?。”張老師胸有成竹地說?！霸诜治鲭娮杳盁煹脑蛑埃纫宄冾l器里整流濾波電路的特點?！薄袄蠋?，我不大明白，變頻器的中間為什么要加進一個直流電路呢？”“好吧，那我們就先從交-直-交變頻器的基本結(jié)構(gòu)講起?！睆埨蠋熌昧艘粡埣垼?不緊不慢地畫岀了交一直一交變頻器的框圖，如圖1 - 1所示，然后說：“你瞧，電網(wǎng)的電壓和頻率是固定的。在我國，低壓電網(wǎng)的電壓和頻率統(tǒng)一為380v、50hz,是不能變的。要想得到電壓和頻率都能調(diào)節(jié)的電源，必須自己變出來，才便于控制。所謂變 岀來，當然不可能象變魔術那樣憑空產(chǎn)生岀來，而只能從另一種能源變過來。這另一種能源便是直流電。因此，交-直-交變頻器的

3、工作可分為兩個基本過程：(1)交直變換過程就是先把不可調(diào)的電網(wǎng)的三相 (或單相)交流電經(jīng)整流橋整流成直流電。(2)直交變換過程就是反過來又把直流電“逆變”成電壓和頻率都任意可調(diào)的三相交流電。你方才說的那臺變頻器的問題，我的判斷是岀在交-直變換里。我們就來討論這部分電路吧。圖11交一直一交變頻器框圖Word格式.整理版1交-直變換電路“所謂交-直變換電路就是是整流和濾波。在低壓電路里，哪種濾波方式效果最好？” 老張又問"應該是形濾波。”小孫答?！翱墒牵冾l器里卻不能用形濾波。”ICURCECC圖1 2整流和濾波電路(a)低壓整流濾波電路(b)變頻器整流濾波電路1.1變頻器不用形濾波“為

4、什么呢？ ”小孫真還沒有想到過這樣的問題，不覺來了精神?！捌鋵崳阒灰容^一下這兩種整流濾波電路的區(qū)別就明白了?！睆埨蠋熣f著，隨手就畫出了兩個整流濾波電路，如圖1 2。然后說：“瞧，形濾波在電路里要串聯(lián)一個電感丨或電阻r的。不管串聯(lián)什么， 它總要產(chǎn)生一個電壓降 u，使后面的電壓 ud2比前面的電壓 ud1小一點。這在低壓電路里是沒有關系的，如果覺得Ud2太小了，你可以在設計變壓器時適當提高一點副方電壓就可以了?！薄鞍?，我知道了。”小孫如夢初醒：“變頻器前面沒有變壓器，不可能提高電壓。可是，稍微有 一點電壓降不行嗎？”“不行！”張老師斬釘截鐵地說?！耙驗樽冾l器要求后面逆變岀來的三相交流電，在50

5、hz時的電壓能夠和前面的電源電壓一般大。要是直流電壓減小了的話，逆變岀來的三相交流電壓，在5OhZ時就達不到380v 了。那人家就會說，你這個變頻器不行，電壓不夠。所以，變頻器里只能 用電容器濾波。”“好像是用兩組電容器串聯(lián)起來的，為什么呢？”小孫來了興趣，努力思索著要主動地問一些問題?！澳鞘巧a(chǎn)水平的問題。迄今為止，全世界生產(chǎn)的電解電容器的最高耐壓，只有500v ,而380v全波整流后的峰值電壓是537v。按照國家規(guī)定，電源電壓的允許上限誤差是+10%即418v，全波整流后的峰值電壓是 591v。此外，變頻器在運行過程中允許的最高直流電壓可達（700800）V,而在逆變的過渡過程中，瞬間的直

6、流電壓甚至可能高達1000v呢。所以，只能用兩組電容器串聯(lián)來解決?！睆埨蠋熁卮鹫f?！斑€有，我曾打開變頻器看過。每個電容器旁邊，都并聯(lián)一個電阻，好像叫均壓電阻?？伤鼈兊碾娮柚岛艽?，約為幾十 k ,而瓦數(shù)卻不大，好像只有IOw左右，它們能起到均壓作用嗎？"小孫顯露出一副疑惑的神情。1.2均壓電阻的學問Cl±L L ±L1' i'I Ri *7U口±L ±L ±L TTTC2Fu圖1 -3濾波電容的均壓電路“那就讓我們來看看吧?！睆埨蠋熾S手又畫了一個圖，如圖1 - 3。接著說："圖中，電容器 Ci的充電回路由Ci和

7、r c2構(gòu)成；C2的充電回路由C2和rci構(gòu)成。2和r c2的電阻值 是相等的：r ci = r c2如果兩個電容器組的電容量有差異，假設:CiV C2則兩個電容器組上的電壓分配必不相等：Uci > Uc2而兩個電容器的充電電流分別是：/ = -L ./ = .二V 4j II * L很明顯：i ri > i r2word格式.整理版這樣，電容器C2上要多充一些電，上就得到了提高。結(jié)果是 U"和Uc2趨向于均衡:Uc1 Uc2當然，要絕對均衡是不可能的。至于瓦數(shù)么，你自己算一算看。 小孫立即拿起筆來，剛要下筆，卻又難住了，問：“電壓值按多大算呢？”“每個電容器上的平均電壓

8、可以按300v算。”電阻么，好象是 30 k ,這就好算了?！敝灰娦O在紙上算了起來:“喲，還綽綽有余呢。”小孫說，“我以前總喜歡估計一個大概數(shù)據(jù)，很少具體計算?？雌饋? 以后還是要算一算的好。還有一個問題，那個冒煙的電阻是在整流橋和濾波電容之間的，這在低壓整流電路里是沒有的 它起什么作用呢？”1.3限流電阻的作用圖1 4整流電路的合閘“就整流和濾波的基本過程而言，低壓和高壓是相同的?！睆埨蠋熡之嬃藗€整流濾波電路，如圖1 4 ,接著說：“問題的關鍵，是合上電源前，電容器上是沒有電荷的，電壓為OV ,而電容器兩端的電壓又是不能突變的。就是說，在合閘瞬間，整流橋兩端（p、n之間）相當于短路。因此，

9、在合上電源時，就岀現(xiàn)了兩個問題：第一個問題，是有很大的沖擊電流，如圖中的曲線，這有可能損壞整流管。第二個問題，是進線處的電壓將瞬間下降到Ov，如圖中之曲線所示C圖1-5高、低壓整流電路的區(qū)別（a）低壓整流電路（b）高壓整流電路（C）限流電路這兩個特點，高、低壓整流電路完全一樣?！睆埨蠋熡之嬃似饋恚鐖D1-5。接著說：“瞧，低壓整流電路是要通過變壓器來降壓的。變壓器的繞組是一個大電感，它猶如一個屏障，能對合閘時的沖擊電流起到限制作用，如圖（a）中的曲線。而變頻器的整流電路中，就沒有這樣的屏障，沖擊電流就要嚴重得多，如圖（b）中之曲線所示。至于進線側(cè)的電壓波形，其實，在低壓整流電路中，變壓器的副方

10、電壓，也同樣要瞬間降到Ov的，如圖（a）中之曲線。但反映到變壓器的原方，這樣的瞬間降壓，就被緩沖了，如圖（a）中之曲線，對同一網(wǎng)絡中的其他設備不構(gòu)成干擾。變頻器整流電路中沒有這樣的緩沖，它進線電壓就是電網(wǎng)電壓。所以，在合閘瞬間，電網(wǎng)電壓要降到Ov ,這將影響同一網(wǎng)絡中其他設備的正常工作，通常稱之為干擾。所以，在整流橋和濾波電容之間，就需要接入一個限流電阻rl。至于它的原理，你該是明白的 吧？“我來試試看吧，”小孫鼓足了勇氣，說：“接入了限流電阻后，非但減小了通電時的沖擊電流。并且，瞬間的電壓降，也都降到限流電阻上了，電源側(cè)的電壓波形也解決了，真是一舉兩得啊。等到電容器上的電壓上升到一定程度時，

11、再把限流電阻短路掉， 對吧？可是” 張老師正想夸贊小孫幾句，沒想到他又來了個“可是”，于是他耐心地等著小孫的下文?！拔以?jīng)查看過幾臺變頻器， 發(fā)現(xiàn)短路器件（晶閘管或接觸器）的大小是隨變頻器的容量而變的，但限流電阻的阻值和容量卻差別不大，這是怎么回事呢？”“說得好，也問得好?！睆埨蠋煾吲d地夸贊了小孫幾句。圖1-6限流電路里的電流“我們通過具體例子來說明。”張老師一邊說，一邊畫岀了圖1-6。然后說：“我們分開來說吧。先看限流電阻rl。嚴格地說，容量大的變頻器里，整流管的允許電流也較大。濾波電容的容量也要大一些，限流電阻的阻值應該小一些，而容量（瓦數(shù)）應該大一些。但是，讓我們舉一個例子來看一下。假設

12、所選用限流電阻的阻值rl = 50 ,那么，即使電源電壓等于振幅值Ulm = 1.41 × 380 = 537v ,最大的沖擊電流是多大呢？”“只有10a多一點?！毙O說?！斑€有，假設濾波電容的電容量是5000 f ,充電時間有多長呢？”小孫很快算了起來：t = r c = 50 × 5000 = 250000 S = 250ms= 0.25s“只有0.25s。”小孫抬起頭來，說。“那是充電時間常數(shù)，充電時間應該是它的3倍到5倍。"張老師更正說?！熬褪钦f，充電時間大約是0.75s到1.25s之間，籠統(tǒng)一點說，是Is左右吧。這樣的充電電流，和這樣的充電時間， 對于大

13、多數(shù)規(guī)格的變頻器來說，都是可以接受的吧？所以，生產(chǎn)廠家為了減少另部件的種類，采取了多種規(guī)格的變頻器選用同一規(guī)格限流電阻的做法。至于電阻的容量（瓦數(shù)），因為 rl中通電流的時間很短，只有Is,真正達到10a的時間更短。所以，一般說來，容量只要不小于20w就可以了。再看旁路接觸器 km。還是用具體例子來說明吧。假設電動機容量是 7.5kw， 15.4a。配用變頻器的容量是13kva， 18a。一般說來，直流回路的容量和變頻器的輸入容量應該是相等的，當電源電壓是380v時，直流電壓的平均值是513v ,那么，直流電流應該有多大呢？ ”張老師看著小孫，問。小孫會意，馬上在紙上算了起來：PDUD1300

14、0513=25 A“那就只有選標稱值為30a的接觸器了?！毙O不假思索說?！耙獎觿幽X筋么。你想，這里用接觸器的幾個觸點呀？”“啊，”小孫拍著自己的腦袋說，“接觸器的三個觸點是可以并聯(lián)起來用的，那就只要10a的接觸器就可以了?！睆埨蠋熚⑿χc了點頭，又補充說：“不過，要是用晶閘管的話，還是要用30a的?！睆埨蠋熉灶D了頓，接著又問：“那么，要是電動機容量是75kw, 139.7a。配用變頻器的容量是114kva，150a。該配用多大的接觸器呢？”word格式.整理版這回小孫心里有底了，他很快地算了起來： UP 5BA“應該選額定電流為 80a的接觸器?！毙O肯定地說?！八?，你剛才提的問題不就解決

15、了嘛?！睆埨蠋熜ξ卣f?！翱墒?，限流電阻為什么會冒煙，并且燒斷呢？ ”小孫問。“就我所接觸到的情況而言，燒斷限流電阻的原因可能有三種?！睆埨蠋熣f圖1 7 限流電阻的充電電流（a） rl = 80 Cf = 1000 f（b） rl = 40 > Cf = 1000 f（C） rl = 40 3、Cf = 2000 f“第一種可能，是限流電阻的容量選小了。因為在限流電阻中通入的電流是按指數(shù)規(guī)律衰減的，且持續(xù)時間很短，如圖17所示。所以，其容量可以選得小一些。為了降低元器件成本，有的變頻器生產(chǎn)廠家在決定限流電阻的容量時，常常取較小值。但實際上，流經(jīng)限流電阻的電流ir是和限流電阻的阻值 rl

16、以及濾波電容器的電容量Cf有關的。比較圖（a）和圖（b）知，rl 大:則電流的初始值較小，但電流的持續(xù)時間長。比較圖（b）和圖（C）知：Cf大，電流的持續(xù)時間將延長。所以，嚴格地說，rl的容量大小也應該根據(jù)具體情況適當調(diào)整。但如前所說，用戶對濾波電容器的充電過程并無嚴格的要求。所以，對rl的阻值和容量也并無明確的規(guī)定。一般說來，如選rl 50 3，Pr 50w是不會有問題的。第二種可能，是濾波電容器變質(zhì)了。凡是有電解質(zhì)的器件，都有一個特點：你一直用它，它不容 易壞。你總也不用它，它倒要壞了。你那臺變頻器在倉庫里存放了一年多才拿出來，你應該先打開蓋觀察一下濾波電容器，看它是否鼓包？甚至是否有電解

17、液漏岀？電解電容器變質(zhì)的特征，首先是漏電流增大。 一臺長時間不用的變頻器，突然加上高電壓，電解電容器的漏電流可能是相當大的。你第一次合上電源時， 變頻器內(nèi)冒煙，很可能就是電解電容器嚴重漏電，甚至已經(jīng)短路。而直流電壓難以充電到 450v以上，短路器件不動作，限流電阻長時間接在電路里，它當然要冒 煙、燒斷了?！薄澳?，變頻器在倉庫里時間放長了，就報廢了？ ”小孫感到疑惑?！爱斎徊皇?。長時間不用的電解電容器，通電時，應該先加約50%勺額定電壓，加壓時間應在半小時以上，如圖1-8所示。它的漏電流就會降下去，也就可以正常使用了。220V450VWOO F>30min圖1-8長期存放電容器的復原所以，

18、你回去以后，先用萬用表測量一下電容器是否短路。如并未短路，外觀上也沒有異常，則如圖那樣，通電半小時以后，電容器將可以恢復?！薄疤昧?！”小孫高興地說。接著又問：“您說，電阻冒煙還有另一種可能性？ ”小孫接著問?！暗谌N可能，就是旁路接觸器km或晶閘管沒有動作。結(jié)果，使限流電阻長時間接在電路里?！薄澳?，怎么來判斷旁路接觸器或晶閘管是否動作了呢？ ”小孫問?！芭月菲骷撛跒V波電容器已經(jīng)充電到一定程度（例如，電壓已經(jīng)超過450v）時動作。因此,Ud上升到足夠大時，旁路器你可以在確認濾波電容器完好的情況下，通電時，觀察當直流電壓 件是否動作?具體方法之一，是在限流電阻兩端并聯(lián)一個電壓表pv1 ,同時

19、在濾波電容兩端也接一個電壓表Pv2 ,再將兩個串聯(lián)的燈泡也接到濾波電容的兩端，作為負載，如圖1 9。通電后，如果 pv2顯示Ud已經(jīng)足夠大，但 pv1的讀數(shù)并不為Ov，就說明旁路器件并未動作?！眻D1 9旁路器件的動作檢查(a)原理圖(b)外部接線圖“為什么要接兩個燈泡呢？ ”小孫問?！澳鞘菫橹绷麟娐方右稽c負載。要是沒有負載的話，限流電阻內(nèi)將沒有電流，即使短路器件未動作，限流電阻上也量不岀電壓呀。”“還有一個問題，”小孫拿了一張紙，畫了起來，然后問：“我發(fā)現(xiàn)在濾波電容器兩端，還并聯(lián)了一個0.33 f的小電容，如圖1 10中和CO所示，那是為什么？”圖1 10抗干擾電容因為電解電容具有一定的電感性質(zhì)，它不能吸收時間很短的干擾電壓，容易導致“過電壓跳閘”的誤動作。電容器 Co就是用來吸收干擾電壓的。1.4主控板上的電源指示燈“還有，我發(fā)現(xiàn)在主控板上有一個電源指示燈，為什么把它放在機箱里面，而不放在控制面板上呢？”小孫問?！澳敲?，你每次開機時，怎么知道變頻器是否通電？ ”張老師反問“我是看變頻器的顯示屏上是否有顯示?！薄笆前?，顯示屏已經(jīng)顯示了通電與否，要是再把里面這個指示燈也放到面板上，豈非疊床架屋了？ ”張老師說著，隨手又畫了個圖1 11圖1 11直流指示濾波電容“其實，里面的這個指示燈，主要不是顯示變頻器是否通電，而是顯示變