变频器的构成

一、 主电路

　　给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为主电路。图1示出了典型的电压逆变器的例子。其主电路由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。另外，异步电动机需要制动时，有时要附加“制动回路”。

图1 典型的电压型逆变器一例

　　1.整流器 最近大量使用的是二极管的变流器，如图1所示，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。

　　2.平波回路  在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，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）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。

　　3.逆变器   同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。图2以电压型PWM逆变器为例示出开关时间和电压波形。

图2 电压型逆变器的输出电压{{分页}}

　　4.制动回路   异步电动机在再生制动区域使用时（转差率为负），再生能量储存于平波回路电容器中，使直流电压升高。一般说来，由机械系统（含电动机）惯量积蓄的能量比电容能储存的能量大，需要快速制动时，可用可逆变流器向电源反馈或设置制动回路（开关和电阻）把再生功率消耗掉，以免直流电路电压上升。

　　5.异步电动机的四象限运行  根据负载种类，所需要的异步电动机旋转方向和转矩方向是不同的，必须根据负载构成适当的主电路。

　　图3所示，为采用电压型逆变器传动的异步机四象限运转与主电路构成的关系。在Ⅰ、Ⅲ象限异步电动机的转矩方向与旋转方向一致，为电动状态。Ⅰ象限是正转的电动运转，Ⅲ象限是反转的电动运转。在Ⅱ、Ⅳ象限其转矩方向与旋转方向相反，为再生状态。Ⅱ象限为正转的再生运转，Ⅳ象限为反转的再生运转。只需要图a的电动运转时，则只需由电源向异步电动机供给功率，可使用不可逆变流器。像图b那样，对于减速时需要制动力的负载，功率就必须从异步电动机向逆变器流传，可附加制动回路以便能在Ⅱ、Ⅳ象限使用。另外，对于需要急加减速并且加减速频繁的场合（例如电梯），或者对于制动为主要目的的场合，可以采用可逆变流器，实现Ⅰ～Ⅳ的四象限运转。此时，能量向电源反馈而节能。

图3 采用电压型逆变器的四象限运转

a)为不可逆变流器时  b)带制动回路时   c)为可逆变流器时

　　以上，以电压型逆变器为例说明了主电路的构成。对于电流型逆变器，如前章所述，用不可逆整流器也能实现四象限运转。

二、 控制电路

　　给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，称为控制电路。如图4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”。

图4 变频器的构成{{分页}}

　　在图4点划线内，仅以控制电路A部分构成控制电路时，无速度检测电路，为开环控制。在控制电路B部分增加了速度检测电路，即增加了速度指令，可以对异步电动机的速度进行更精确的闭环控制。

　　(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)速度检测电路   以装在异步电动机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。

　　(5)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，表1为保护功能一览。

表1 保护功能一览

1.逆变器保护

　　(1)瞬时过电流保护   由于逆变器负载侧短路等，流过逆变器器件的电流达到异常值（超过容许值）时，瞬时停止逆变器运转，切断电流。变流器的输出电流达到异常值，也同样停止逆变器运转。

　　(2)过载保护   逆变器输出电流超过额定值，且持续流通达规定的时间以上，为了防止逆变器器件、电线等损坏要停止运转。恰当的保护需要反时限特性，采用特继电器或者电子热保护（使用电子电路）。过负载是由于负载的GD²（惯性）过大或因负载过大使电动机堵转而产生。{{分页}}

　　(3)再生过电压保护   采用逆变器使电动机快速减速时，由于再生功率直流电路电压将升高，有时超过容许值。可以采取停止逆变器运转或停止快速减速的办法，防止过电压。

　　(4)瞬时停电保护   对于数毫秒以内的瞬时停电，控制电路工作正常。但瞬时停电如果达数10ms以上时，通常不仅控制电路误动作，主电路也不能供电，所以检出后使逆变器停止运转。

　　(5)接地过电流保护   逆变器负载侧接地时，为了保护逆变器有时要有接地过电流保护功能。但为了确保人身安全，需要装设漏电断路器。

　　(6)冷却风机异常   有冷却风机的装置，当风机异常时装置内温度将上升，因此采用风机热继电器或器件散热片温度传感器，检出异常后停止逆变器。在温度上升很小对运转无防碍的场合，可以省略。

2.异步电动机的保护

　　(1)过载保护   过载检出装置与逆变器保护共用，但考虑低速运转的过热时，在异步电动机内埋入温度检出器，或者利用装在逆变器内的电子热保护来检出过热。动作频繁时，可以考虑减轻电动机负载、增加电动机及逆变器容量等。

　　(2)超频（超速）保护   逆变器的输出频率或者异步电动机的速度超过规定值时，停止逆变器运转。

3.其他保护

　　(1)防止失速过电流  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，抑制频率上升或频率下降。对于恒速运转中的过电流，有时也进行同样的控制。

　　(2)防止失速再生过电压   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保护电路动作，在直流电压下降之前要进行控制，抑制频率下降，防止不能运转（失速）。