变频器原理结构与电路器件分析.doc

变频器结构与电路分析功率元器件的选用原则2009-12-16ETDMICHAEL一、 变频器的基本组成1、 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。2、 我们现在使用的变频器主要采用交直交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。3、 变频器的主回路主要由整流电路、限流电路、滤波电路、制动电路、逆变电路和检测取样电路部分组成。图一 吸收电路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。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图二u 压敏电阻的选择：压敏电阻安装在RST进线处，主要起防雷作用。在正常情况下压敏电阻不起作用，当有雷击从电网进来时，因为瞬间的高脉冲（高压）把压敏电阻击穿，相当于压敏电阻对地短路，这样雷击能量就在进变频器前被吸收掉了，避免损坏模块。此处的吸收电容主要是对电网的杂波进行滤波把那些进去的干扰先滤掉。1、什么是“压敏电阻”“压敏电阻是中国大陆的名词，意思是在一定电流电压范围内电阻值随电压而变，或者是说电阻值对电压敏感的阻器。相应的英文名称叫“VoltageDependentResistor”简写为“VDR”。压敏电阻器的电阻体材料是半导体，所以它是半导体电阻器的一个品种。现在大量使用的氧化锌（ZnO）压敏电阻器，它的主体材料有二价元素（Zn）和六价元素氧（O）所构成。所以从材料的角度来看，氧化锌压敏电阻器是一种“-族氧化物半导体”。在中国台湾，压敏电阻器是按其用途来命名的，称为突波吸收器。压敏电阻器按其用途有时也称为“电冲击（浪涌）抑制器（吸收器）”。2、压敏电阻电路的“安全阀”作用压敏电阻有什么用？压敏电阻的最大特点是当加在它上面的电压低于它的阀值UN时，流过它的电流极小，相当于一只关死的阀门，当电压超过UN时，流过它的电流激增，相当于阀门打开。利用这一功能，可以抑制电路中经常出现的异常过电压，保护电路免受过电压的损害。3、应用类型不同的使用场合，应用压敏电阻的目的，作用在压敏电阻上的电压/电流应力并不相同，因而对压敏电阻的要求也不相同，注意区分这种差异，对于正确使用是十分重要的。4、电路功能用压敏电阻压敏电阻主要应用于瞬态过电压保护，但是它的类似于半导体稳压管的伏安特性，还使它具有多种电路元件功能，例如可用作：（1）直流高压小电流稳压元件，其稳定电压可高达数千伏以上，这是硅稳压管无法达到的。（2）电压波动检测元件。（3）直流电瓶移位元件。（4）均压元件。（5）荧光启动元件5、保护用压敏电阻的基本性能（1）保护特性，当冲击源的冲击强度（或冲击电流Isp=Usp/Zs)不超过规定值时，压敏电阻的限制电压不允许超过被保护对象所能承受的冲击耐电压（Urp）。（2）耐冲击特性，即压敏电阻本身应能承受规定的冲击电流，冲击能量，以及多次冲击相继出现时的平均功率。（3）寿命特性有两项，一是连续工作电压寿命，即压敏电阻在规定环境温度和系统电压条件应能可靠地工作规定的时间（小时数）。二是冲击寿命，即能可靠地承受规定的冲击次数。（4）压敏电阻介入系统后，除了起到安全阀的保护作用外，还会带入一些附加影响，这就是所谓二次效应，它不应降低系统的正常工作性能。这时要考虑的因素主要有三项，一是压敏电阻本身的电容量（几十到几万PF），二是在系统电压下的漏电流，三是压敏电阻的非线性电流通过源阻抗的耦合对其他电路的影响。压敏电阻是一种限压型保护器件。利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。压敏电阻的主要参数有：压敏电压、通流容量、结电容、响应时间等。压敏电阻的压敏电压（min(U1mA)）、通流容量是电路设计时应重点考虑的。在直流回路中，应当有：min(U1mA) (1.82)Udc，式中Udc为回路中的直流额定工作电压。在交流回路中，应当有：min(U1mA) (2.22.5)Uac，式中Uac为回路中的交流工作电压的有效值。上述取值原则主要是为了保证压敏电阻在电源电路中应用时，有适当的安全裕度。在信号回路中时，应当有：min(U1mA)(1.21.5)Umax，式中Umax为信号回路的峰值电压。压敏电阻的通流容量应根据防雷电路的设计指标来定。一般而言，压敏电阻的通流容量要大于等于防雷电路设计的通流容量。压敏电阻主要可用于直流电源、交流电源、低频信号线路、带馈电的天馈线路。压敏电阻的失效模式主要是短路，当通过的过电流太大时，也可能造成阀片被炸裂而开路。压敏电阻使用寿命较短，多次冲击后性能会下降。因此由压敏电阻构成的防雷器长时间使用后存在维护及更换的问题。氧化锌压敏电阻与被保护的电器设备或者元器件并联使用。当电路中出现雷电过电压或瞬态操作电压VS时，压敏电阻器和被保护的设备及元器件同时承受VS，由于压敏电阻器响应速度很快，它以纳秒级时间迅速呈现优良非线形导电特性，此时压敏电阻器两端电压迅速下降，远远小于VS，这样被保护的设备及元器件上实际承受的电压就远低于过电压VS，从而使设备及元器件免遭过电压的冲击.u 吸收电容的选择： 整流电路通用变频器的整流电路是由三相桥式整流桥组成。它的功能是将工频电源进行整流，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。当电源电压为三相380V时，整流器件的最大反向电压一般为12001600V，最大整流电流为变频器额定电流的两倍。（选用标准） Ud=(1200 1600) V 图三开关电源中二极管的选择：整流二极管一般都需要反向恢复时间快的。一般二极管有以下几种：肖特极二极管（反向恢复时间很短 5uS左右，但反向耐压一般在 100V以下），超快恢复二极管（反向恢复时间短25uS左右，反向耐压一般都能做到200V 以上），快恢复二极管（一般性）如何选择二极管：注意点一看反向耐压值、二看正向额定电流值、三看反向恢复时间长短（规格书）、四看正向压降。相同规格的二极管可以替换，比如 BYV27-200 为超快恢复二极管，反向耐压 200V，正向电流 2A；这样可以找到相同规格的二极管去替代比如UF202 参数与BYV27一样。二极管好坏检测：把万用表放到二极管挡，红表笔接A脚处，黑表笔接K脚处（K旁边有一横线），显示0.300.60左右。然后二表笔对调，显示OL，则表示此二极管是好。R、S、T三相电，每相电压波形相差1200C，如上图所示。三相电通过整流桥整流，每相的波形如图、所示。因为它们在相位上各相差1200C，所以在任一个时间周期上波形不可能重叠。这样经过整流后的三相波形相加就成了图波形。这个波形看起来好象水波一样，一浪一浪的，其实那是为了更直观去看。对于50HZ的电压来说 T = 1 / F = 0 S，一个周期的时间很小，所以真正整流后的波形是没那么凸的，相对来说会接近水平线。我们知道电容具有储能作用，加上电解电容后整流后的波形就成一水平线。交流380V电压经过整流后成直流母线电压整流桥的选择：对于 380V额定电源来说，一般二极管的反向耐压选择 1200V，二极管的正向电流为电机额定电流 I 的1.4142倍。例如一台22KW 的变频器，电机额定电流45A，可以选择整流桥的规格：1200V，6590A 或者更大容量的。三相整流桥整流桥检测：判断方法与二极管一样，只不过是几个二极管组合在一起，分别去测量每个二极管的好坏。图 3为三相整流桥原理 限流电路 充电电阻的作用: 电容的特性：电压不能突变，即在瞬间加在电容二端之间的电压不会变化，在开机前电容二端的电压为 0V；所以在上电（开机）的瞬间电容对地为短路状态。如果不加充电电阻在整流桥与电解电容之间，则相当于380V电源直接对地短路，瞬间整流桥通过无穷大的电流导致整流桥炸掉。加上充电电阻限流后，要是不并继电器或其他元件，因为流过电流很大，比如对于22KW 的变频器，在PN端（直流母线）上至少有45A的电流。P= I2 R 由此公式可以看出这样在充电电阻上将会有很大很大的功率损耗。换句话说如果“接控制电路”部分出问题（比如继电器或者可控硅等等质量有问题）则在变频器运行一会儿充电电阻就将因发热太大而坏掉（冒烟）；对于中小功率变频器，要是充电电阻质量很好很好，且阻值也足够大，由公式V = I R 可以知道在充电电阻二端的电压V将很大。 而PN端经整流后电流大概为540V， 540 V为充电电阻后面的电压即变频器工作直流母线电压。因为一般变频器都有设定其工作电压范围，对于三相380V变频器而言 ，要是工作电压低于430V左右，变频器将跳UV（欠压）保护。图 工作原理：380V 交流电整流后经过充电电阻对电解电容充电，当充到一定值（比如 200DCV）辅助电源启动给控制板供电，让控制板工作从而继电器或可控硅接通，充电电阻就不用再工作了。在开机的瞬间， 流过整流桥的电流 I = V R （1）；如果R 大则I 小， 如何去确定充电电阻的大小呢？是不是充电电阻越大越好还是小点好呢？有些变频器产品一开机，整流桥马上就被炸掉了。由上面公式 （1） 知道 R 越大，在开机瞬间流过整流桥的电流就越小。而实际上一般一开机炸掉整流桥不是因为充电电阻 R的选择小了，而是R 太大导致整流桥的炸掉。开机后经充电电阻去充电，当充的电足够辅助电源启动（比如 200V），CPU 工作，发出信号给继电器或可控硅让其导通。在继电器导通瞬间继电器 b 点处电压要是很低（比 200V大），而a 点电压是380VAC 直接整流过来大概在540VDC左右，所以a、b 二端压差很大。在接触导通瞬间电流很大，就好比a、b 是一个很小很小的电阻，瞬间几百伏电压加上去，这样整流桥流过的电流远远大于整流桥额定电流所以把整流桥炸掉。不同功率变频器，充电电阻不一样，变频器功率越大，充电电阻越小。最直接理解：变频器功率越大需要电解电容的容量就越大，而电容的容量越大所需要充电的时间就越长。RC决定充电时间，要想充电时间尽量短只有把充电电阻R放小。一般充电电阻选择：大功率变频器选择充电电阻小，小功率变频器充电电阻大。最大值最好不要超过300，最小值最好大于等于10。电阻选小了对高压电容不好，电阻选大了容易炸机器。继电器原理：当线圈 1，2 二端接上电源（交流或直流）后 a , b 导通。当1，2 脚间加上直流电源的时候，需要在线圈二端并个二极管D；当1，2脚间加上交流电源的时候，需要在线圈二端并上吸收电容 C；因为继电器接触器线圈是个感性元件，有储能作用。在断开电源时，线圈中所储存的能量要是不并吸收电容 C或二极管D给线圈泻放能量，则此能量将成为一个很严重的干扰源，导致变频器乱跳故障！继电器好坏判断：要是继电器不能正常闭合，少则变频器不能正常工作（参见充电部分），充电电阻烧坏或者启动后跳 OV（过压），重则变频器炸掉。如何去判断继电器的好坏呢？要是没有安装在 PCB板或连接在机器上我们很容易就可以判断是好是坏。 在继电器1， 2 脚间加上额定的电压 （比如24VDC） 则 a,b导通，断开1，2 脚电压则a,b也断开。要是继电器安装在机器上了最简单的方法就是听继电器吸合的声音来判断。a,b 二端在吸合后压差为0V，还有a,b 二端的电阻值在吸合前为充电电阻的阻值。 交流输入电抗器u 电抗器的选择：电压型通用变频器电网电压交流转变为直流经整流后都经电容滤波，电容器的使用使输入电流呈尖峰脉冲状，当电网阻抗小时，这种尖峰脉冲电流极大(见图9)，造成很大的谐波干扰，并使变频器整流桥和电容器容易损坏。当变压器容量大于变频器容量10倍以上，电网配电变压器和输电线的内阻不能阻止尖峰脉冲电流时，当同一电源上有晶闸管设备或开关方式控制功率因数补偿装置时，三相电源不平衡度大于3%时，都要对输入侧功率因数作提高和抑制干扰，都需使用电源侧交流电抗器。图中：In1:电网阻抗小时;In2:电网阻抗大时。 一般而言，电压源逆变器、电源侧交流电抗器的电感量，采用3%阻抗即可防止突变电压造成接触器跳闸，使总谐波电流畸变下降到原先的44%左右。实际使用中为了节省费用，常采用2%阻抗的电感量，但这对环保而言是不好的。比较好的场合应使用4%阻抗或更大的电抗器。一般常选用24%的压降阻抗，这个百分数是对相电压而言，即:其中：电压降落；相电压；线电压；三相时，输入侧交流电抗器电感值：其中:ILmax电感流过的最大电流。例如:对380V、90kW、50Hz、170A的变频器，需要配置输入侧交流电抗器的电感量为：取：0.0820.164mH，可以选择能长期能通170A电流，电感值在0.123mH左右的电抗器即可。 对于使用者，需考虑电感值和电流值两方面，电流值一定要大于等于额定值，电感值略有大小问题不大，偏大有利于减少谐波，但电压降落会超过3%，使用者还要考虑电源内部阻抗，电源变压器功率大于10倍变频器功率，而且线路很短的场合，电源内阻小，不仅需要使用输入侧交流电抗器，而且要选择较大的电感值，例如选用45%阻抗的电感量 滤波电路逆变器的负载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。 通用变频器直流滤波电路的大容量铝电解电容，通常是由若干个电容器串联和并联构成电容器组，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，这将使它们随的电压不相等。因此，电容器要各并联一个阻值相等的匀压电阻，消除离散性的影响，因而电容的寿命则会严重制约变频器的寿命。u 电解电容的选择:1，滤波作用，在电源电路中，整流电路将交流变成脉动的直流，而在整流电路之后接入一个较大容量的电解电容，利用其充放电特性，使整流后的脉动直流电压变成相对比较稳定的直流电压。在实际中，为了防止电路各部分供电电压因负载变化而产生变化，所以在电源的输出端及负载的电源输入端一般接有数十至数百微法的电解电容由于大容量的电解电容一般具有一定的电感，对高频及脉冲干扰信号不能有效地滤除，故在其两端并联了一只容量为0.0010.1pF的电容，以滤除高频及脉冲干扰 2，耦合作用：在低频信号的传递与放大过程中，为防止前后两级电路的静态工作点相互影响，常采用电容藕合为了防止信号中韵低频分量损失过大，一般总采用容量较大的电解电容。u 电解电容的判断方法电解电容常见的故障有，容量减少，容量消失、击穿短路及漏电，其中容量变化是因电解电容在使用或放置过程中其内部的电解液逐渐干涸引起，而击穿与漏电一般为所加的电压过高或本身质量不佳引起。判断电解电容的好坏一般采用万用表的电阻档进行测量具体方法为：将电容两管脚短路进行放电，用万用表的黑表笔接电解电容的正极。红表笔接负极(对指针式万用表，用数字式万用表测量时表笔互调)，正常时表应先向电阻小的方向摆动，然后逐渐返回直至无穷大处。表针的摆动幅度越大或返回的速度越慢，说明电容的容量越大，反之则说明电容的容量越小如表针指在中间某处不再变化，说明此电容漏电，如电阻指示值很小或为零，则表明此电容已击穿短路因万用表使用的电池电压一般很低，所以在测量低耐压的电容时比较准确，而当电容的耐压较高时，有时尽管测量正常，但加上高压时则有可能发生漏电或击穿现象u 电解电容的使用注意事项：1、电解电容由于有正负极性，因此在电路中使用时不能颠倒联接。在电源电路中，输出正电压时电解电容的正极接电源输出端，负极接地，输出负电压时则负极接输出端，正极接地当电源电路中的滤波电容极性接反时，因电容的滤波作用大大降低，一方面引起电源输出电压波动，另一方面又因反向通电使此时相当于一个电阻的电解电容发热当反向电压超过某值时，电容的反向漏电电阻将变得很小，这样通电工作不久，即可使电容因过热而炸裂损坏 2加在电解电容两端的电压不能超过其允许工作电压，在设计实际电路时应根据具体情况留有一定的余量，在设计稳压电源的滤波电容时，如果交流电源电压为220V时变压器次级的整流电压可达22V，此时选择耐压为25V的电解电容一般可以满足要求但是，假如交流电源电压波动很大且有可能上升到250V以上时，最好选择耐压30V以上的电解电容。 3，电解电容在电路中不应靠近大功率发热元件，以防因受热而使电解液加速干涸 4、对于有正负极性的信号的滤波，可采取两个电解电容同极性串联的方法，当作一个无极性的电容。u 电解电容的串并联： 由图2，我们知道电解电容具有储能，滤波，平滑波形作用。在没加电解电容前经过整流桥整流的波形好象水中的波浪（当然实际没有那么大的幅度，只是为了直观放大），而并上电解电容后经过整流后的母线电压就上一条很直的线。PN端的电压经过整流后一般在 540VDC左右，因为电网是波动的，所以变频器的直流电压工作范围一般在 430VDC700VDC 之间。而一般的高压电容都在 400VDC左右，为了满足耐压需要就必须是二个400VDC的电容串起来作800VDC用。在上下串联电容中并上均压电阻，因为二个电解电容不可能做成完全一致，这样每个电容上所承受的电压就可能不同，承受电压高的发热严重（电容里面有等效串联电阻）或超过耐压值而损坏。所以必须在二个串联的电容上再分别并上均压电阻去满足上下电容所承受的电压是一样的。电解电容容量的选择：我们知道二个电容 C 串联后容量为 C/2 , 二个电容并起来的容量为2C。（例如，470uF 的二个串联起来容量就只有235uF, 而并联起来的为940uF ）变频器功率越大，需要的电容就越大。一般选择经验为 60uF / A . 例如，一台15KW 的变频器 额定电流为30A，需要的电容容量为 60uF / A 30 A 即至少为1800uF，所以一般选择4 个2200uF（二并二串） 或者2个 4700uF的电容（二串联）。当然还要去考虑所选电容品牌，品牌不同，质量相差会很大，这样所选的电容容量也相应需要去调整。一般电解电容的容量都很大，特别是那些大的高压电解电容，而电容又是储能元件。所以需要特别注意在焊接，拿、放它时注意不能去接触电容的二个脚，或者短路它们，这样会很危险。u 匀压电阻的选择: 对于均压电阻没有什么过多的要求。 注意功率的选择一般就可以了。 阻值一般选择51K就可以了。W=U I = U2 / R =6452 / (512103)= 4 u 吸收电容的选择:吸收电容：IGBT 的开关动作导致有很大的过流、过压产生，还有电机的能量回馈，要是没有吸收电容把那些尖峰滤掉，IGBT，开关电源中的MOSFET（开关管）还有整流桥很容易就会被击穿。所以吸收电容是一个很关键的地方。而因为PCB板的布局，还有铜排的走线不同，产品的抗干扰效果不一样。这样吸收电容的选择不能仅仅靠经验值去处理。还要依据整体布局（机箱）的好与坏来定。当然在不考虑成本的情况下吸收电容是越大越好。注意事项：因为吸收电容的重要性，所以对它的装配，焊接也要特别注意。1、尽量把吸收电容放在IGBT 模块的P，N端上；2、吸收电容的引脚要尽量的短；3、质量。 制动电路u 制动电路的连线要求:1. 在变频器与制动单元相连时，请选用不同颜色的导线，防止P/N接反，否则将烧毁制动单元并损坏变频器2在对制动单元与制动电阻之间进行配线时，请选用耐高温导线。因为制动电阻的工作温升可达到100以上。3以上配线请选用600V耐压等级电导线。4. 制动单元与变频器、制动电阻之间的接线长度请按以下要求选择：a. 制动单元与变频器之间的接线要尽可能短。在平行走线时最好在2m以内，最大不能超过5m，若长度超过5m，请采用双铰线，但极限长度为10m。如图四、图五所示。图四 制动单元与变频器、制动电阻平行接线示意图图五 制动单元与变频器、制动电阻双绞接线示意图b. 控制端子走线与主回路走线要尽量分开，以免制动单元工作时受到电磁干扰影响u 制动电路的连接方案:图六 基本应用方案一接线图以上方案适用于用户选用普通制动电阻。采用上述应用电路时请特别注意制动电阻的功率及散热条件，否则有火灾的隐患图七 基本应用方案二接线图图八 基本应用方案三接线图采用上述方案时，请对变频器的X1端子进行编 程，将其设定为外部故障常闭输入。当选用其他公司变频器时，请参照该变频器应 用手册进行相应更改图九 基本应用方案四接线图当用户选用了改善功率因素用的直流电抗器时 请参照以上方案进行接线。（制动电阻的连接 在这里未画出）图十 基本应用方案五接线图当用户选用了二个以上的制动单元并联运行 时，请按上图进行配线。（制动电阻的连接在这里未画出）u 制动转矩TB的计算请用以下公式计算出制动所需电磁转矩式中：TB：制动电磁转矩（Nm）GD2M：电机的转动惯量（Nm2）GD2L：电机负载侧折算到电机侧的转动惯量（Nm2）TL：负载阻转矩（Nm）N1：制动前电机速度（rpmN2：制动后电机速度（rpmtS：减速时间（s）一般情况下，在进行电机制动时，电机内部存在损耗，折合成制动转矩大约为电动机额定转矩的20，因此若所计算出的制动电磁转矩小于20的电机额定转矩，则表明无需接外接制动装置。u 制动电阻的阻值计算在制动单元工作过程中，直流母线的电压的升降取决于常数RC，R为制动电阻的阻值，C为变频器的电解电容的容量。由充放电曲线我们知道，RC越小，母线电压的放电速度越快，在C保持一定（变频器型号确定）的情况下，R越小，母线电压的放电速度越快。由以下公式可求出制动电阻的阻值。式中：UC：制动单元动作电压值，一般为710V。TM：电机额定转矩（Nm）这里设定N2为0，这样该阻值就能满足电机各种减速状况的要求u 制动单元的选择在进行制动单元的选择时，制动单元工作时流过开关管的最大瞬时电流要小于该器件的额定电流是选择的唯一依据，通过计算出最大电流值，就可以选择合适的制动单元。计算公式如下：式中：UC：制动单元直流母线电压值，一般为800VRB：制动电阻阻值（）IC：制动电流瞬时值（A）一般变频器的硬件过压保护值为760V，考虑其动作的滞后，将其适当加大。但一般不会超过800V，因此在计算IC时适当加大了UC。u 制动电阻的标称功率 由于制动电阻为短时工作制，即每次通电时间很短，在通电期间，电阻温升远远达不到稳定温升，但瞬时功率很高；每次通电后的间歇时间较长，在该段时间内其温度在不断下降，如此循环往复，最终使电阻达到一稳定温升，一般有80100。因此根据电阻的特性和技术指标，我们知电阻的标称功率（额定功率）将小于通电时的消耗功率，一般可用下式求得：式中：PR：制动电阻（标称额定功率（W）PS：制动期间平均消耗功率（W）ED：制动使用率，这里选择：10a：制动电阻降额系数，一般选1.52，该值可由电阻的降额曲线查得PS可由以下公式求得： 逆变电路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。 最常见的逆变电路结构形式是利用六个功率开关器件（GTR、IGBT、GTO等）组成的三相桥式逆变电路，有规律的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。通常的中小容量的变频器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。如三菱公司生产的IPMPM50RSA120，富士公司生产的7MBP50RA060，西门子公司生产的BSM50GD120等，内部集成了整流模块、功率因数校正电路、IGBT逆变模块及各种检测保护功能。模块的典型开关频率为20KHz，保护功能为欠电压、过电压和过热故障时输出故障信号灯。 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。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，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，同时处于开通状态时将会出现短路现象，并烧毁换流器件。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 .u IGBT的选择：由上图很清楚很直观理解IGBT的原理：当有驱动波形加在 IGBT 的 G E 上时，在驱动波形为高电平的时候IGBT导通。即相当于S闭合，这样电流通过电阻R导通（R相当于IGBT 的内阻）。当驱动波形为低电平的时候，S 断开，没有电流流过。可以这么说 IGBT 在工作的时候就是一开一关状态，至于开通时间及关断时间为多少就需要软件（CPU）去计算。IGBT 开通损耗：我们知道IGBT模块有大有小，一般做变频器的IGBT 模块有从10A到 400A的，也就是说有那么大的电流通过IGBT的内阻R， 由I2 R t（开通时间）= P（开通损耗） 我们知道要是 t很大这样损耗会很大很大。 实际上 t（时间） 是很小很小的t = 1 / (f * D) (f 为变频器的载波频率；D 为占空比， 对D具体解释参见开关电源部分)。 一般变频器的载波频率在2KHz 16KHz 。 所以说t = 1/(2KHz 16KHz )* D值很小。但因为I值（模块额定值）大，即使开通时间短在期间损耗的能量也是很大的。IGBT在关断的时候也会损耗能量：因为IGBT从开通状态到关断不是突变的，由下图可以很直观理解。在开通的时候一般IGBT的压降 （C E 间） 在2V3V左右， 关断在540V左右， 从2V到540V这段时间 （t1 ） IGBT的损耗 P1= U * I * t1 (注意U I 都是变化的)其实我们可以从图9，很直观看出，不管是在开通还是在关断过程，流过IGBT C E 间的电压及其二端之间的电压不是突变的（有个斜坡），在这个斜坡阶段既有电流又有电压，所以一定要消耗能量。因为 IGBT 的工作状态是一开一关，在这一开一关中需要消耗很大的能量，载波频率越高，开关速度就越快 P + P1 的能量损耗就越大。所以一般来说在调试变频器的时候越大的机器载波频率就需要越小，减小变频器的过热（OH）。虽然相对来说大机器散热器越大，但要注意模块就那么大，热量不可能均匀分散到散热器上去的，它们很容易集中在模块左右。那是不是可以把所有机器的载波频率都调到最小值呢？当然什么东西好与坏都不是绝对的，在调试部分再具体分析载波频率参数的设定问题。一般的IGBT模块封装有下面几种：图9注意事项：上面我们知道IGBT的开关损耗很大，要是散热没做好，IGBT很容易就会因为过热而被炸掉。所以在装配的时候特别注意 IGBT需要与散热器完全接触好，一定要保证散热器与IGBT模块接触面的光滑，无凹凸不平。散热胶需要均匀涂在IGBT 上面。绝对不允许IGBT模块与散热器接触面上有杂物在上面。在IGBT模块是多个单个IGBT及二极管等集成在一起的，它们有很多的脚位通过模块塑壳伸出来。所以一定要注意装配时的应力，小心模块脚与模块分离（断开）。当然对静电更加要注意防范。那东西看不见摸不着，一不小心模块可能就中标。IGBT好坏的判断：一般用万用表测量IGBT的好与坏主要是测量续流二极管的好与坏，至于IGBT只能量到它是否直通了。要是 C、E 间炸断了是无法用万用表去测量的。这样最简单最直接的判断方法就是用万用表测各个IGBT上并的那些二极管就可以。测量及判断方法与二极管一样。万一要是C、E 间被炸开了，而二极管没有坏或者IGBT被静电击穿了什么去判断呢？（这种情况很少但会有）用万用表又量不出来，这样只能通过上电去试用。通过调压器慢慢把电压调高去运行测量判断。假定额定功率是100KW，三相380V*1.414大约按500V计算，2个IGBT（并联）组成半桥，单个IGBT的占空比0.4，则计算出的实际电流大约为：100k/500/0.4/2=250A；一般加倍选择，所以应该选500A&1200V的IGBT模块。额定电压的计算：假定电网电压为440V波动系数为1.1安全系数为a=1.1Ed=440*1.414*1.1a=753V关断时峰值电压为: Ucesp=(753*1.15+150)*a=1118V式中，1.15为过压保护系数；150为由Ldi/dt引起的尖峰电压以上为IGBT电压额定值计算 控制电路1）驱动电路驱动电路是将主控电路中CPU产生的六个PWM信号，经光电隔离和放大后，作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宜各种换流器件的专用驱动模块。有些品牌、型号的变频器直接采用专用驱动模块。但是，大部分的变频器采用驱动电路。从修理的角度考虑，这里介绍较典型的驱动电路。图2.2是较常见的驱动电路（驱动电路电源见图2.3）。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。三个上桥臂驱动电路是三个独立驱动电源电路，三个下桥臂驱动电路是一个公共的驱动电源电路。2）保护电路当变频器出现异常时，为了使变频器因异常造成的损失减少到最小，甚至减少到零。每个品牌的变频器都很重视保护功能，都设法增加保护功能，提高保护功能的有效性。在变频器保护功能的领域，厂商可谓使尽解数，作好文章。这样，也就形成了变频器保护电路的多样性和复杂性。有常规的检测保护电路，软件综合保护功能。有些变频器的驱动电路模块、智能功率模块、整流逆变组合模块等，内部都具有保护功能。图2.4所示的电路是较典型的过流检测保护电路。由电流取样、信号隔离放大、信号放大输出三部分组成。3）开关电源电路开关电源电路向操作面板、主控板、驱动电路及风机等电路提供低压电源。图2.5富士G11型开关电源电路组成的结构图。直流高压P端加到高频脉冲变压器初级端，开关调整管串接脉冲变压器另一个初级端后，再接到直流高压N端。开关管周期性地导通、截止，使初级直流电压换成矩形波。由脉冲变压器耦合到次级，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。4）主控板上通信电路当变频器由可编程（PLC）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。图2.6是LG变频器的通讯接口电路。 频器通信时，通常采用两线制的RS485接口。西门子变频器也是一样。两线分别用于传递和接收信号。变频器在接收到信号后传递信号之前，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接口电路主要是指这部分电路，还有信号的抗干扰电路。5）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转换电路进入CPU。其他一些控制通过变频器内输入电路的光耦隔离传递到CPU中。在下面文章中,上传了有关变频器的维修知识供大家分享! 根据大家对我的提议以及对我的支持，现在将一些变频器最基本，基础的知识贡献给大家变频器开关电源电路，变频器开关电源主要包括输入电网滤波器、输入整流滤波器、变换器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路。我们公司产品开关电源电路如下图，是由UC3844组成的开关电路：开关电源主要有以下特点: 1,体积小,重量轻:由于没有工频变频器，所以体积和重量吸有线性电源的2030% 2，功耗小，效率高：功率晶体管工作在开关状态，所以晶体管的上功耗小，转化效率高，一般为6070%，而线性电源只有3040% 二极管限幅电路限幅器是一个具有非线性电压传输特性的运放电路。其特点是：当输入信号电压在某一范围时，电路处于线性放大状态，具有恒定的放大倍数，而超出此范围，进入非线性区，放大倍数接近于零或很低。在变频器电路设计中要求也是很高的，要做一个好的变频器维修技术员，了解它也相当重要。 1、 二极管并联限幅器电路图如下所示： 2、二极管串联限幅电路如下图所示： 变频器控制电路组成如图1所示，控制电路由以下电路组成：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，以及逆变器和电动机的保护电路。 在图 1点划线内，无速度检测电路为开环控制。在控制电路增加了速度检测电路，即增加速度指令，可以对异步电动机的速度进行控制更精确的闭环控制。 1)运算电路将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、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 与主回路电位隔离检测电压、电流等。 3)驱动电路 为驱动主电路器件的电路，它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。 4)I/0输入输出电路 为了变频器更好人机交互，变频器具有多种输入信号的输入 (比如运行、多段速度运行等)信号，还有各种内部参数的输出“比如电流、频率、保护动作驱动等)信号。 5)速度检测电路 以装在异步电动轴机上的速度检测器 (TG、PLG等)的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。 6)保护电路 检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。 逆变器控制电路中的保护电路，可分为逆变器保护和异步电动机保护两种，保护功能如下 变频器驱动电路的HCPL-316J特性HCPL-316J是由Agilent公司生产的一种IGBT门极驱动光耦合器，其内部集成集电极发射极电压欠饱和检测电路及故障状态反馈电路，为驱动电路的可靠工作提供了保障。其特性为：兼容CMOS/TYL电平；光隔离，故障状态反馈；开关时间最大500ns；“软”IGBT关断；欠饱和检测及欠压锁定保护；过流保护功能；宽工作电压范围(1530V)；用户可配置自动复位、自动关闭。 DSP与该耦合器结合实现IGBT的驱动，使得IGBT VCE欠饱和检测结构紧凑，低成本且易于实现，同时满足了宽范围的安全与调节需要。 HCPL-316J保护功能的实现 HCPL-316J内置丰富的IGBT检测及保护功能，使驱动电路设计起来更加方便，安全可靠。其中下面详述欠压锁定保护(UVLO) 和过流保护两种保护功能的工作原理： (1)IGBT欠压锁定保护(UVLO)功能 在刚刚上电的过程中，芯片供电电压由0V逐渐上升到最大值。如果此时芯片有输出会造成IGBT门极电压过低，那么它会工作在线性放大区。HCPL316J芯片的欠压锁定保护的功能(UVLO)可以解决此问题。当VCC与VE之间的电压值小于12V时，输出低电平，以防止IGBT工作在线性工作区造成发热过多进而烧毁。示意图详见图1中含UVLO部分。 图1 HCPL-316J内部原理图 (2)IGBT过流保护功能 HCPL-316J具有对IGBT的过流保护功能，它通过检测IGBT的导通压降来实施保护动作。同样从图上可以看出，在其内部有固定的7V电平，在检测电路工作时，它将检测到的IGBT CE极两端的压降与内置的7V电平比较，当超过7V时，HCPL-316J芯片输出低电平关断IGBT，同时，一个错误检测信号通过片内光耦反馈给输入侧，以便于采取相应的解决措施。在IGBT关断时，其CE极两端的电压必定是超过7V的，但此时，过流检测电路失效，HCPL-316J芯片不会报故障信号。实际上，由于二极管的管压降，在IGBT的CE 极间电压不到7V时芯片就采取保护动作。 整个电路板的作用相当于一个光耦隔离放大电路。它的核心部分是芯片HCPL-316J，其中由控制器(DSP-TMS320F2812)产生XPWM1及XCLEAR*信号输出给HCPL-316J，同时HCPL-316J产生的IGBT故障信号FAULT*给控制器。同时在芯片的输出端接了由NPN和PNP组成的推挽式输出电路,目的是为了提高输出电流能力，匹配IGBT驱动要求。 当HCPL-316J输出端VOUT输出为高电平时，推挽电路上管(T1)导通，下管(T2)截止， 三端稳压块LM7915输出端加在IGBT门极(VG1)上，IGBT VCE为15V，IGBT导通。当HCPL-316J输出端VOUT输出为低电平时，上管(T1)截止，下管(T1)导通，VCE为-9V，IGBT关断。以上就是IGBT的开通关断过程。开关电源原理 希望能帮到同行的你更加深入的了解开关电源，温故而知新吗！）一、 开关电源的电路组成：开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路组成。辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。开关电源的电路组成方框图如下：二、 输入电路的原理及常见电路：1、AC输入整流滤波电路原理： 防雷电路：当有雷击，产生高压经电网导入电源时，由MOV1、MOV2、MOV3：F1、F2、F3、FDG1组成的电路进行保护。当加在压敏电阻两端的电压超过其工作电压时，其阻值降低，使高压能量消耗在压敏电阻上，若电流过大，F1、F2、F3会烧毁保护后级电路。 输入滤波电路：C1、L1、C2、C3组成的双型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。当电源开启瞬间，要对C5充电，由于瞬间电流大，加RT1（热敏电阻）就能有效的防止浪涌电流。因瞬时能量全消耗在RT1电阻上，一定时间后温度升高后RT1阻值减小（RT1是负温系数元件），这时它消耗的能量非常小，后级电路可正常工作。 整流滤波电路：交流电压经BRG1整流后，经C5滤波后得到较为纯净的直流电压。若C5容量变小，输出的交流纹波将增大。2、 DC输入滤波电路原理： 输入滤波电路：C1、L1、C2组成的双型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。C3、C4为安规电容，L2、L3为差模电感。 R1、R2、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、Q2、RT1、C7组成抗浪涌电路。在起机的瞬间，由于C6的存在Q2不导通，电流经RT1构成回路。当C6上的电压充至Z1的稳压值时Q2导通。如果C8漏电或后级电路短路现象，在起机的瞬间电流在RT1上产生的压降增大，Q1导通使Q2没有栅极电压不导通，RT1将会在很短的时间烧毁，以保护后级电路。三、 功率变换电路：1、 MOS管的工作原理：目前应用最广泛的绝缘栅场效应管是MOSFET（MOS管），是利用半导体表面的电声效应进行工作的。也称为表面场效应器件。由于它的栅极处于不导电状态，所以输入电阻可以大大提高，最高可达105欧姆，MOS管是利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。2、 常见的原理图：3、工作原理：R4、C3、R5、R6、C4、D1、D2组成缓冲器，和开关MOS管并接，使开关管电压应力减少，EMI减少，不发生二次击穿。在开关管Q1关断时，变压器的原边线圈易产生尖峰电压和尖峰电流，这些元件组合一起，能很好地吸收尖峰电压和电流。从R3测得的电流峰值信号参与当前工作周波的占空比控制，因此是当前工作周波的电流限制。当R5上的电压达到1V时，UC3842停止工作，开关管Q1立即关断 。R1和Q1中的结电容CGS、CGD一起组成RC网络，电容的充放电直接影响着开关管的开关速度。R1过小，易引起振荡，电磁干扰也会很大；R1过大，会降低开关管的开关速度。Z1通常将MOS管的GS电压限制在18V以下，从而保护了MOS管。Q1的栅极受控电压为锯形波，当其占空比越大时，Q1导通时间越长，变压器所储存的能量也就越多；当Q1截止时，变压器通过D1、D2、R5、R4、C3释放能量，同时也达到了磁场复位的目的，为变压器的下一次存储、传递能量做好了准备。IC根据输出电压和电流时刻调整着脚锯形波占空比的大小，从而稳定了整机的输出电流和电压。C4和R6为尖峰电压吸收回路。4、推挽式功率变换电路：Q1和Q2将轮流导通。5、有驱动变压器的功率变换电路：T2为驱动变压器，T1为开关变压器，TR1为电流环。四、 输出整流滤波电路：1、 正激式整流电路： T1为开关变压器，其初极和次极的相位同相。D1为整流二极管，D2为续流二极管，R1、C1、R2、C2为削尖峰电路。L1为续流电感，C4、L2、C5组成型滤波器。2、 反激式整流电路： T1为开关变压器，其初极和次极的相位相反。D1为整流二极管，R1、C1为削尖峰电路。L1为续流电感，R2为假负载，C4、L2、C5组成型滤波器。3、 同步整流电路： 工作原理：当变压器次级上端为正时，电流经C2、R5、R6、R7使Q2导通，