第06章《变频器内部结构》(修改版)

1、（内部资料（内部资料 注意保存）注意保存）中国变频器维修网培训中心6.1 变频器的组成变频器的组成 变频器为了适应工程需要，要有一系列控制变频器为了适应工程需要，要有一系列控制端子，要有操作面板，要能够进行程序的读出写端子，要有操作面板，要能够进行程序的读出写入，变频器内部，为了进行工作时的保护，要设入，变频器内部，为了进行工作时的保护，要设置相应的保护电路。置相应的保护电路。 变频器结构框图6.1.1主电路主电路整流电路、起动保护、滤波电路、逆变电路整流电路、起动保护、滤波电路、逆变电路 、指示电路、指示电路 、制动单元、制动单元 、输入端子、输入端子、 输出端子。输出端子。 不同系列交-直

2、-交变频器内部的主体电路基本相同，变频调速过程中出现的许多现象都可通过主体电路来进行分析。因此，熟悉主体电路的结构，透彻了解各部分的原理，具有十分重要的意义。一、交-直变换 交-直变换电路就是整流和滤波电路，其任务是把电源的三相（或单相）交流电变换成平稳的直流电。由于整流后的直流电压较高，且不允许再降低，因此，在电路结构上具有特殊性。1、 全波整流电路在SPWM变频器中，大多采用桥式全波整流电路。在中、小容量的变频器中，整流器件采用不可控的整流二极管或二极管模块，如图中的VD1-VD6所示。当三相线电压为380V时，整流后的峰值电压为537V，平均电压为515V。 2 滤波及限流电路（1）滤波

3、电路，即上图中的CF1和CF2。由于受到电解电容的电容量和耐压能力的限制，滤波电路通常由若干个电容器并联成一组，又由两个电容器组CF1和CF2串联而成。因为电解电容的电容量有较大的离散性，故电容器组CF1和CF2的电容量常不能完全相等。其结果是各电容器组承受的电压UD1和UD2不相等，使承受电压较高一测的电容器组容易损坏。为了使UD1和UD2相等，在CF1和CF2旁各并联一个阻值相等的均压电阻RC1和RC2。（2）限流电路，即如上图中，串接在整流桥和滤波电容器之间，由限流电阻RL和电路开关SL组成的并联电路。限流电阻RL的作用是：变频器在接入电源之前，滤波电容CF上的直流电压UD=0。因此，当

4、变频器刚接入电源的瞬间，将有一个很大的冲击电流经过整流桥流向滤波电容，使整流桥可能因此而受到损坏。如果电容器的容量很大，还会使电源电压瞬间下降而形成对电网的干扰。限流电阻RL就是为了削弱该冲击电流而串接在整流桥与滤波电容之间的。短路开关SL的作用是：限流电阻RL如长期接在电路内，会影响直流电压UD和变频器输出电压的大小。所以，当UD增大到一定程度时，令短路开关SL接通，把RL切出电路。SL大多由晶闸管构成，在容量较小的变频器中，也常有接触器或继电器的触点构成。 电源指示灯电源指示灯HLHL除了表示电源是否接通外，还有一个十分重要除了表示电源是否接通外，还有一个十分重要的功能，即在变频器切断电源

5、后，表示滤波电容器的功能，即在变频器切断电源后，表示滤波电容器CFCF上的电上的电荷是否已经释放完毕。荷是否已经释放完毕。 由于由于CFCF的容量较大，而切断电源又必须在逆变电路停止工作的容量较大，而切断电源又必须在逆变电路停止工作的状态下进行，所以的状态下进行，所以CFCF没有快速放电的回路，其放电时间往没有快速放电的回路，其放电时间往往长达数分钟。又由于往长达数分钟。又由于CFCF上的电压较高，如不放完，对人身上的电压较高，如不放完，对人身安全将构成威胁。故在维修变频器时，必须等安全将构成威胁。故在维修变频器时，必须等HLHL完全熄灭后完全熄灭后才能接触变频器内部的导电部分，所以，才能接触

6、变频器内部的导电部分，所以，HLHL也具有提示保护也具有提示保护作用。作用。1 1、三相逆变桥电路、三相逆变桥电路逆变桥电路的功能是把直流电转换成三相交流电，其工逆变桥电路的功能是把直流电转换成三相交流电，其工作原理在本章第一节已经说明。作原理在本章第一节已经说明。逆变桥电路由下图中的开关器件逆变桥电路由下图中的开关器件V1-V6V1-V6构成。目前中小构成。目前中小容量的变频器中，开关器件大部分使用容量的变频器中，开关器件大部分使用IGBTIGBT管。由图中的VD7-VD12构成。其功能是：（1）为电动机绕组的无功电流返回直流电路时提供通路。（2）当频率下降从而同步转速下降时，为电动机的再生

7、电能反馈至直流电路提供通路。（3）为电路的寄生电感在逆变过程中释放能量提供通路。3、缓冲电路（R01-R06、CO1-C06、VD01-VD06）逆变管在关断和导通的瞬间，其电压和电流的变化率是很大的，有可能使逆变管受到损害。因此，每个逆变管旁还应接入缓冲电路，以减缓电压和电流的变化率。缓冲电路的结构因逆变管的特性和容量等的不同而有较大差异，下图是比较典型的一种2-27。各元件的功能如下： （1 1）电容）电容C01-C06C01-C06。逆变管。逆变管V1-V6V1-V6每次由导通状态转换成截每次由导通状态转换成截止状态的过程中，集电极（止状态的过程中，集电极（C C极）和发射极（极）和发射

8、极（E E极）之间的电极）之间的电压压UCEUCE将极为迅速地由近乎将极为迅速地由近乎0V0V上升至直流电压值上升至直流电压值UDUD。在此过。在此过程中，电压增长率是很高的，将容易导致逆变管的损坏。程中，电压增长率是很高的，将容易导致逆变管的损坏。C01-C06C01-C06的功能便是减小的功能便是减小V1-V6V1-V6在关断时的电压增长率在关断时的电压增长率 （2 2）电阻）电阻R01-R06R01-R06。V1-V6V1-V6每次由截止状态转换为导通状态每次由截止状态转换为导通状态时，时，C01-C06C01-C06上所冲的电压（等于上所冲的电压（等于UDUD）将向）将向V1-V6V1

9、-V6放电。放电放电。放电电流的初始值是很大的，并且将迭加到负载电流上，导致电流的初始值是很大的，并且将迭加到负载电流上，导致V1-V6V1-V6损坏。电阻损坏。电阻R01-R06R01-R06就是用来限制就是用来限制C01-C06C01-C06对对V1-V6V1-V6的放的放电电流的。电电流的。 （3 3）二极管）二极管VD01-VD02VD01-VD02。限流电阻。限流电阻R01-R06R01-R06的接入，又会影的接入，又会影响响C01-C06C01-C06在在V1-V6V1-V6的关断时限制电压增长率的效果。的关断时限制电压增长率的效果。VD01-VD01-VD02VD02接入后，在接

10、入后，在V1-V6V1-V6的关断过程中，使的关断过程中，使R01-R06R01-R06不起作用不起作用。1 1、能耗制动电路的作用、能耗制动电路的作用在变频调速系统中，电动机的降速和停机，是通过逐渐减小频率来实在变频调速系统中，电动机的降速和停机，是通过逐渐减小频率来实现的。在频率刚减小的瞬间，电动机的同步转速随之下降，而由于机现的。在频率刚减小的瞬间，电动机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的原因，电动机的转速未变。当同步转速低于这个转速时，转械惯性的原因，电动机的转速未变。当同步转速低于这个转速时，转子绕组切割磁力线的方向相反了，转子电流的相位几乎改变了，使电子绕组切割磁力线的方向相反了

11、，转子电流的相位几乎改变了，使电动机处于发电状态，也称为再生制动状态。动机处于发电状态，也称为再生制动状态。电动机再生的电能经下图中的续流二极管（电动机再生的电能经下图中的续流二极管（VD7-VD12VD7-VD12）全波整流后反）全波整流后反馈到直流电路中，由于直流电路的电能无法回输给电网，只能由馈到直流电路中，由于直流电路的电能无法回输给电网，只能由CF1CF1和和CF2CF2吸收，使直流电压升高，称为吸收，使直流电压升高，称为“泵升电压泵升电压”。过高的直流电压。过高的直流电压将使变流器件受到损害。因此，当直流电压超过一定值时，就要求提将使变流器件受到损害。因此，当直流电压超过一定值时，

12、就要求提供一条放电回路，将再生的电能消耗掉。这一条放电回路，就是能耗供一条放电回路，将再生的电能消耗掉。这一条放电回路，就是能耗制动电路。制动电路。 能耗电路由制动电阻能耗电路由制动电阻RBRB和制动单元和制动单元BVBV构构成，如图所示。电阻能耗制动采用的方成，如图所示。电阻能耗制动采用的方法是在变频器直流侧加放电电阻单元组法是在变频器直流侧加放电电阻单元组件，将再生电能消耗在功率电阻上来实件，将再生电能消耗在功率电阻上来实现制动。这是一种处理再生能量的最直现制动。这是一种处理再生能量的最直接的办法，它是将再生能量通过专门的接的办法，它是将再生能量通过专门的能耗制动电路消耗在电阻上，转化为热

13、能耗制动电路消耗在电阻上，转化为热能能 制动电阻制动电阻RBRB用于消耗掉直流电路中的多余电能，直流电压保用于消耗掉直流电路中的多余电能，直流电压保持平稳。持平稳。 制动单元制动单元BVBV的功能是控制放电回路的工作。具体地说，当直的功能是控制放电回路的工作。具体地说，当直流回路的电压流回路的电压UDUD超过规定的限值时，超过规定的限值时，VBVB导通，使直流回路通导通，使直流回路通过过RBRB释放能量，降低直流电压。而当释放能量，降低直流电压。而当UDUD在正常范围内时，在正常范围内时，BVBV将可靠截止，以避免不必要的能量损失。将可靠截止，以避免不必要的能量损失。 将上述各部分电路汇总后成

14、为主电路，如下图所示。将上述各部分电路汇总后成为主电路，如下图所示。1.整流电路VD1VD6整流二极管，c1、c2，滤波电容，RL，限流电阻。1）逆变原理下面分析怎样将一个直流电变为正弦波的问题。采样原理 PWM技术的理论基础是采样控制理论中的面积采样控制理论中的面积等效控制原理。即：加在等效控制原理。即：加在惯性环节上的窄脉冲，尽惯性环节上的窄脉冲，尽管形状不同，只要面积相管形状不同，只要面积相等，其作用在惯性环节上等，其作用在惯性环节上的效果相同（惯性环节就的效果相同（惯性环节就是电感、电容）。是电感、电容）。脉宽调制波脉宽调制波SPWMSPWM：将一个正弦波电压分为：将一个正弦波电压分为

15、N N等份，并把正弦曲线每一等份，并把正弦曲线每一等份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替，脉等份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替，脉冲的宽度与正弦波的大小成正比，这样得到的脉冲列，就是冲的宽度与正弦波的大小成正比，这样得到的脉冲列，就是SPWMSPWM波。波。 实际应用中实际应用中SPWMSPWM波的形成波的形成： 调制方法：调制方法： 利用载波和调制波相比较方式来确定脉宽和间隔。利用载波和调制波相比较方式来确定脉宽和间隔。 调制波调制波u ur r： 所希望生成的等效正弦波所希望生成的等效正弦波 载波载波u uc c： 等腰三角波或锯齿波等腰三角波或锯齿

16、波2)sPWM波的生成波的生成 按照调制脉冲的极性关系，PWM逆变电路的控制方式分为：单极性控制单极性控制: 任一时刻载波与调制波的极性相同，在任意半个周期SPWM波单方向变化 ；正半周：ur uc时，有脉冲；ur uc时，无脉冲。副半周： ur uc时，有脉冲；ur uc时，无脉冲。 2)双极性控制双极性控制：载波双方向变化，在任意半个周期SPWM波双方向变化； ur uc时，正脉冲； ur uc时，负脉冲3)三相逆变波形加在6只逆变管上的信号都为开关信号，6只逆变管就相当于6个开关，管子导通相当于开关闭合，截止时相当于开关断开。4.开关器件开关器件1）二极管）二极管二极管是单向导电器件，二

17、极管是单向导电器件，加正向电压，导通，加正向电压，导通，相当开关闭合；加反相当开关闭合；加反向电压，截止，相当向电压，截止，相当于开关断开于开关断开2 2）绝缘栅双极晶体管（）绝缘栅双极晶体管（IGBTIGBT）结构及外形结构及外形IGBTIGBT是是MOSMOS和和GTRGTR取长补短相结合的产物，具有栅极取长补短相结合的产物，具有栅极G G、集电极、集电极C C、和发、和发射极射极E E的三个引出端。的三个引出端。工作特点：工作特点：当当uGEUGE(th)（开启电压）时，（开启电压）时，IGBT截止，无截止，无iC；当当uGEUGE(th) 时，时，uCE加正压，加正压，IGBT导通，其

18、输出电流导通，其输出电流iC与驱与驱动电压动电压uGE基本呈线形关系。如基本呈线形关系。如图所示为图所示为IGBT的驱动电压的驱动电压uGE与输出电流与输出电流iC的关系，此曲线称的关系，此曲线称为为IGBT的转移特性曲线。的转移特性曲线。参数：参数：IGBT工作时，工作时，UGE导通导通电压电压15V、关断电压、关断电压-5V。开。开关频率小于关频率小于100kHz。 6.1.26.1.2其他电路其他电路 1.1.输入端隔离电路输入端隔离电路 变频器有一系列的输入端子，这变频器有一系列的输入端子，这些输入端子和些输入端子和CPUCPU是通过隔离电路是通过隔离电路联系的。输入端隔离电路出了问联

19、系的。输入端隔离电路出了问题，影响端子的正常输入，因为题，影响端子的正常输入，因为每个输入端子独立连接一只光电每个输入端子独立连接一只光电耦合器，哪一只光电耦合器出了耦合器，哪一只光电耦合器出了问题，那一路输入端子不能正常问题，那一路输入端子不能正常工作。工作。 2.I-U2.I-U转换电路转换电路 该电路是模拟该电路是模拟输入电压、电输入电压、电流、以及模拟流、以及模拟输出指示端子输出指示端子的转换电路。的转换电路。该电路出了问该电路出了问题，会影响这题，会影响这几路信号的正几路信号的正常工作。常工作。 3.DC/DC3.DC/DC电源电源 这是变频器除了主电这是变频器除了主电路之外所有电路

20、的供路之外所有电路的供电电源。它出了故障，电电源。它出了故障，整个变频器停止工作。整个变频器停止工作。因为该电源的输出端因为该电源的输出端是分组输出，哪一组是分组输出，哪一组出了问题，影响那一出了问题，影响那一组所对应的电路。组所对应的电路。开关电源电路图开关电源电路图图中图中L1L1为一次电路，为一次电路，L2L2、L3L3、L4L4、L5L5为二次电路，工作时一次电路导通，二为二次电路，工作时一次电路导通，二次电路截止，一次电路截止时，二次电路导通。二次电路的输出电压由开关次电路截止，一次电路截止时，二次电路导通。二次电路的输出电压由开关管的脉冲宽度调节。管的脉冲宽度调节。开关电源容易损坏

21、的元件是滤波电容、整流二极管、开关管。开关电源容易损坏的元件是滤波电容、整流二极管、开关管。 4.4.过压过压/ /欠压保护电路欠压保护电路 该电路是直流母线电该电路是直流母线电压的检测电路，检测压的检测电路，检测直流母线欠压或过压。直流母线欠压或过压。该电路出了问题，一该电路出了问题，一是不能正确的提供检是不能正确的提供检测保护信号，产生误测保护信号，产生误报；二是失去保护功报；二是失去保护功能，使制动电阻不能能，使制动电阻不能工作，引起主电路过工作，引起主电路过压而损坏。压而损坏。 5.5.驱动电路驱动电路 该电路是将该电路是将CPUCPU输出输出的的PWMPWM信号进行放大，信号进行放大

22、，驱动驱动IGBTIGBT开关工作。开关工作。该电路和主电路紧该电路和主电路紧密相连，是很重要，密相连，是很重要，又容易出故障的一又容易出故障的一部分电路部分电路1）驱动电路隔离放大、驱动放大电路、驱动电路电源光耦隔离电路图中IC为PWM输出和驱动电路的隔离电路。当驱动电路损坏不至于将故障扩大到PWM发生电路。V1为第一级放大；V2、V3为输出跟随器，提高输出能力。图中稳压管DZ使电源电压稳定在20V。注：隔离电路中的光耦隔离集成块容易损坏。 2 2）驱动电路和电源的连接）驱动电路和电源的连接电路作用：为驱动电路提供直流电源。该电路由一只电路作用：为驱动电路提供直流电源。该电路由一只5V5V稳

23、压稳压管取得管取得5V5V电源，加在电源，加在IGBTIGBT开关管的发射极上，使驱动信号开关管的发射极上，使驱动信号在零时，保证在零时，保证IGBTIGBT控制极为控制极为5V5V的负电压，使管子可靠的截的负电压，使管子可靠的截止。止。该电源需要该电源需要4 4组，三个带浮地，一个直接接地。该电源由变组，三个带浮地，一个直接接地。该电源由变频器的频器的DC/DCDC/DC直流电源提供。直流电源提供。6.保护电路保护电路 是保护逆变桥过是保护逆变桥过流、过压、过载流、过压、过载等的保护电路。等的保护电路。它由检测、放大、它由检测、放大、模模/ /数转换等电路数转换等电路组成。该电路出组成。该电

24、路出了故障，一是误了故障，一是误报；二是失去保报；二是失去保护功能，造成逆护功能，造成逆变桥的损坏。变桥的损坏。 1 1）电流检测电路）电流检测电路 通过检测变频器的输出电通过检测变频器的输出电流，进行过流、过载计算，流，进行过流、过载计算，当判断为过流、过载，立当判断为过流、过载，立即封锁变频器的输出脉冲，即封锁变频器的输出脉冲，使使PWMPWM电路停止工作。电路停止工作。R121R121为检测电阻，检测电为检测电阻，检测电流为流为1A1A。 ( (检测电流为检测电流为100A,R121100A,R121为为0.015 )0.015 )。 2 2）直流电压检测电路）直流电压检测电路 为保证电

25、网电压变化时，为保证电网电压变化时，仍能保证仍能保证U/f=CU/f=C的控制方的控制方式，由该电路实时检测式，由该电路实时检测直流电路的电压直流电路的电压U Ud d, ,根据根据U Ud d的变化调整的变化调整PWMPWM波的占波的占空比空比。 7.7.操作面板操作面板 操作面版是采用接操作面版是采用接插件连接，接触不插件连接，接触不良，会引起个别功良，会引起个别功能消失，供电不良能消失，供电不良会引起黑屏。个别会引起黑屏。个别功能部件失灵，可功能部件失灵，可能是按键接触虚。能是按键接触虚。 8.8.开路集电极输出端子开路集电极输出端子 该端子由隔离电路（与该端子由隔离电路（与CPUCPU

26、隔离）。因为使用隔离）。因为使用的原因损坏率较高。一的原因损坏率较高。一般属于开路晶体管过流般属于开路晶体管过流所致。判断较容易，因所致。判断较容易，因为其他几路如果是好的，为其他几路如果是好的，只此一路有问题，可断只此一路有问题，可断定该只管子有问题；如定该只管子有问题；如果各只管子都有问题，果各只管子都有问题，则可能问题出在单片机。则可能问题出在单片机。 9.9.故障接点开关故障接点开关 该开关主要为变频该开关主要为变频器的故障报警用，器的故障报警用，当变频器出现故障当变频器出现故障时，该端子输出故时，该端子输出故障信号。障信号。10.10.单片机单片机单片机又称单片机又称CPUCPU，是

27、整个变频器，是整个变频器的核心器件，如同人的大脑，的核心器件，如同人的大脑，输出各种控制信号和处理输入、输出各种控制信号和处理输入、检测等信号。检测等信号。CPUCPU是集成电路，又经过层层保是集成电路，又经过层层保护，故障率很低。正常工作时护，故障率很低。正常工作时的损坏率很低，雷击、变频器的损坏率很低，雷击、变频器电源引起的过压、工作环境潮电源引起的过压、工作环境潮湿、静电感应等可能引起损坏。湿、静电感应等可能引起损坏。在故障维修时，没有充分的理在故障维修时，没有充分的理由，不要轻易怀疑单片机有问由，不要轻易怀疑单片机有问题。因为单片机有问题，就得题。因为单片机有问题，就得换主板。换主板。

28、 11.16MHz11.16MHz晶振晶振 晶振是晶振是CPUCPU的主频震荡器震荡器件。它不是一个很耐用的的主频震荡器震荡器件。它不是一个很耐用的器件。在众多的电子设备中，晶振的损坏时有发生。因为器件。在众多的电子设备中，晶振的损坏时有发生。因为他的结构是两个金属片中夹着一块晶体，晶体怕震、怕氧他的结构是两个金属片中夹着一块晶体，晶体怕震、怕氧化。晶振出了问题，整个变频器都不能正常工作。化。晶振出了问题，整个变频器都不能正常工作。晶振结构 6.26.2高压变频器主电路拓补结构高压变频器主电路拓补结构 按照电压的划分，低于按照电压的划分，低于1kV1kV，称为低压；大于，称为低压；大于lkVl

29、kV、小于、小于10kV,10kV,称为中压，称为中压，10kV10kV以上，称为高压。以上，称为高压。 我们习惯上把额定电压为我们习惯上把额定电压为6kV6kV或或3kV3kV的电动机称为的电动机称为“高压电高压电动机动机”，因此，我们也把工作电压在，因此，我们也把工作电压在1 1lOkVlOkV的变频器统的变频器统称为中称为中( (高高) )压变频器。压变频器。 中（高）压变频器因为工作电压升高，开关器件因为中（高）压变频器因为工作电压升高，开关器件因为受到耐压的限制，不能完全承受电源的高电压，使主电路受到耐压的限制，不能完全承受电源的高电压，使主电路和低压变频器有了很大的区别。为了使变频

30、器能工作在高和低压变频器有了很大的区别。为了使变频器能工作在高电压，人们研究出了多种不同的电路结构。电压，人们研究出了多种不同的电路结构。 1.1.高高- -低低- -高变频器高变频器 它是把电网的高压或中压经降压变压器降为低压，它是把电网的高压或中压经降压变压器降为低压，通过低压变频器变频，然后再经升压变压器将低通过低压变频器变频，然后再经升压变压器将低压升为中压，供给电动机运行。实际上这种电路压升为中压，供给电动机运行。实际上这种电路结构所用的变频器为低压变频器。结构所用的变频器为低压变频器。 2.2.高高中型中型 高高中型变频器是把电网的高压经降压变压器中型变频器是把电网的高压经降压变压

31、器 降为中压，送入中压变频器，中压变频器的输出降为中压，送入中压变频器，中压变频器的输出驱动电动机。驱动电动机。 功率单元串联高压变频器功率单元串联高压变频器 功率单元串联高压变频器，属于功率单元串联高压变频器，属于“高高中型中型”变频器。主变频器。主电路是利用移相变压器降压，再通过多个低压变频功率单电路是利用移相变压器降压，再通过多个低压变频功率单元串联组成。各功率单元分别由多绕组移相降压变压器的元串联组成。各功率单元分别由多绕组移相降压变压器的一组二次绕组供电。多绕组移相降压变压器是功率单元串一组二次绕组供电。多绕组移相降压变压器是功率单元串联高压变频器电路中的一个重要部件。联高压变频器电

32、路中的一个重要部件。 功率单元为三相输入、单相输出的交功率单元为三相输入、单相输出的交直直交交PWMPWM型变频型变频器结构器结构( (见图见图1)1)。将相邻功率单元的输出端串接起来，形。将相邻功率单元的输出端串接起来，形成成Y Y联结结构联结结构( (见图见图2)2)，实现变频的高压直接输出，供给高，实现变频的高压直接输出，供给高压电动机。每个功率单元分别由输入变压器的一组二次绕压电动机。每个功率单元分别由输入变压器的一组二次绕组供电，功率单元之间及二次绕组之间相互绝缘。组供电，功率单元之间及二次绕组之间相互绝缘。 逆变器输出采用多电平移相式逆变器输出采用多电平移相式PWMPWM技术，同一相的功率单技术，同一相的功率单元输出相同幅值和相位的基波电压