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變頻器即電壓頻率變換器,，是一種將固定頻率的交流電變換成頻率、電壓連續(xù)可調的交流電,，以供給電動機運轉的電源裝置,。目前國內外變頻器的種類很多，不同種類的變頻器其主電路也不盡相同,。 1.變頻器的分類 1.1按變換環(huán)節(jié)分類 （1）交-直-交變頻器 交-直-交變頻器首先將頻率固定的交流電整流成直流電,，經過濾波，再將平滑的直流電逆變成頻率連續(xù)可調的交流電,。由于把直流電逆變成交流電的環(huán)節(jié)較易控制,，因此在頻率的調節(jié)范圍內，以及改善頻率后電動機的特性等方面都有明顯的優(yōu)勢,，目前,，此種變頻器已得到普及。 （2）交-交變頻器 交-交變頻器把頻率固定的交流電直接變換成頻率連續(xù)可調的交流電,。其主要優(yōu)點是沒有中間環(huán)節(jié),，故變換效率高。但其連續(xù)可調的頻率范圍窄,，一般為額定頻率的1/20以下,，故它主要用于低速大容量的拖動系統(tǒng)中。 1.2按照主電路工作方式分類 （1）電壓型變頻器 在交-直-交變壓變頻裝置中,，當中間直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波時,，直流電壓波形比較平直，在理想情況下可以等效成一個內阻抗為零的恒壓源,，輸出的交流電壓是矩形波或階梯波,，這類變頻裝置稱做電壓型變頻器。一般的交-交變壓變頻裝置雖然沒有濾波電容,，但供電電源的低阻抗使它具有電壓源的性質,，也屬于電壓型變頻器。 （2）電流型變頻器 在交-直-交變壓變頻裝置中,，當中間直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波時,，直流電流波形比較平直，因而電源內阻抗很大,，對負載來說基本上是一個電流源,，輸出交流電流是矩形波或階梯波，這類變頻裝置稱作電流型變頻器,。有的交-交變壓變頻裝置用電抗器將輸出電流強制變成矩形波或階梯波,，具有電流源的性質，它也是電流型變頻器,。 1.3按用途分類 （1）專用變頻器 是針對某一種特定的對象設計的,，這種變頻器在某一方面的特性比較優(yōu)越，如風機用變頻器,、水泵用變頻器,、電梯及起重機械專用變頻器。 （2）節(jié)能型變頻器和通用型變頻器 常見的中小容量變頻器主要有兩類,，節(jié)能型變頻器和通用型變頻器,，節(jié)能型變頻器的負載主要是風機、水泵等二次方率負載,，它們對調速要求不高,，因此控制方式比較單一，一般只有VF控制,，價格比較便宜,。通用型變頻器主要用在調速上,，功能較多，控制方式除V/F控制外,，還具有矢量控制功能以及PLC控制,、PID調節(jié)、PG閉環(huán)速度控制等功能,。 2．通用變頻器的組成 通用變頻器的組成如圖1-1所示,。由圖可見，通用型變頻器一般由主電路,、控制電路,、數字設定單元以及冷卻風機等幾個部分組成。其中,，主電路又由整流電路,、中間直流電路和逆變電路三部分組成。它通過主電路將固定頻率固定電壓的交流電變換成電壓和頻率均可調的交流電,，主電路的電流很大,。控制單元接受通過數字設定單元設定的運行頻率,、啟動停止等指令實現對逆變電路的控制,。變頻器的硬件組成中還包括過電壓、過電流以及高溫報警并關斷逆變管,，給出錯誤報警及錯誤代碼的保護電路,。  圖2-17 通用變頻器的組成 3．變頻器的主電路 熟悉變頻器的主電路對變頻器的安裝、保護等有著重要的意義,。不同品牌通用變頻器的主電路基本相同,，一般均采用如圖2-18所示的交-直-交電壓源型電路。圖中,，整流電路的功能是將固定頻率固定電壓的交流電變換成脈動直流電,；直流電路的功能是對整流后的脈動直流電進行濾波、限流,、均壓,、顯示；逆變電路的功能是將直流電轉換為頻率及電壓均可變的交流電供給三相交流電動機,。  圖2-18 交-直-交變頻器主電路 4．ATV312變頻器主電路的接線端子及外部接線 4.1接線端子 ATV312變頻器主電路的接線端子分布如圖2-19所示,，端子中PO、PC-為直流母線引出端子,，PA+和PO由短接片短接,，可以接直流電抗器，PA+與PB之間接制動電阻。  圖2-19 ATV312變頻器主電路的接線端子 4.2外部接線 圖2-20所示是220V單相變頻器的動力端子接線圖,。  圖2-20 變頻器動力端子接線圖 圖2-20中,，電源側空氣開關除接通電源外還具有隔離和過電流及欠電壓保護功能。除空氣開關外,，電源側還可接入與報警端子配合使用的接觸器KM常閉觸點,，用于接通和切斷變頻器電源,，可使變頻器故障時迅速脫離電源,。在一臺變頻器驅動一臺電動機的情況下，變頻器的輸出側一般直接接電動機,，如果輸出側接有接觸器,，有可能出現變頻器的輸出頻率從0Hz開始上升時，電動機卻因接觸器未閉合而并不起動,，等接觸器閉合時,，變頻器已經有較高的輸出頻率，構成電動機在一定頻率下的直接起動,，導致變頻器因過電流而跳閘,。此外，因為變頻器內部具有十分完善的熱保護功能,，沒有必要接入熱繼電器,。 主電路的整流和濾波電路 變頻器主電路中，整流電路的功能是將固定頻率固定電壓的交流電變換成脈動直流電,；濾波電路對整流后的直流電進行平滑,，濾除其中的高次諧波。  圖2-21 交-直-交變頻器主電路 1．整流電路 整流電路的作用是將固定頻率固定電壓的交流電變換成脈動直流電,，大多采用橋式整流電路,，在中小容量變頻器中一般采用不可控整流二極管或二極管模塊（整流橋）。  圖2-22 整流模塊 由圖2-22可見,，整流電路是由不可控的電力二極管組成VD1~VD6構成的不可控三相全波整流電路,。 在不通電的情況下，根據二極管所具有的單向導電性,，可以用指針式萬用表判斷其好壞,，如圖2-3所示。首先判斷VD1,、VD3,、VD5的好壞，將萬用表的紅表筆接變頻器主電路的PO端子,，黑表筆依次接電源進線端子R,、S、T，此時二極管正向偏置,，萬用表指示值接近于,；將紅黑表筆交換，黑表筆接變頻器主電路的PO端子,，紅表筆依次接電源進線端子R,、S、T,，此時二極管反向偏置,，萬用表指示值接近于∞；用同樣的方法檢測VD2,、VD4,、VD6，若二極管正向偏置電阻小,，反向偏置電阻大,，表明整流橋式正常的。  圖2-23 整流橋的檢測 2．濾波電路 在交-直-交變頻器中,，濾波電路有電容和電感濾波兩種形式,，ATV312變頻器等中小容量的變頻器一般采用電容濾波。如圖2-21所示變頻器主電路中,，濾波電容CF1,、CF2用來平滑整流后的脈動直流電壓。 由于受到電解電容的容量和耐壓能力的限制,，濾波電路通常由兩組電容器先并聯再串聯組成,。如圖2-24所示，濾波電容CF1,、CF2均為數個電容器并聯而成的電容器組,。 根據電路要求，CF1,、CF2電壓應保持相等,，但由于電解電容的電容量有較大的離散性，故電容器組CF1,、CF2的電容量不能完全相等,，造成分壓不均，其中分壓較高的電容器組容易被損壞,。為此,，在CF1、CF2兩端各并聯一個阻值相等的電阻RC1,、RC2組成均壓電路,。其均壓原理是：假設CF1  圖2-24 濾波電路 圖2-21中，直流電抗器DL用于濾除直流電壓中的高次諧波，提高變頻器的功率因數,。由于變頻器出廠時的標準配置不含直流電抗器,，因此出廠時主回路端子PO、PA+一般用短接片進行短接,，如圖2-24所示,。 端子PO、PC/-為變頻器直流母線的兩個引出端,。對于380V交流電源供電的三相變頻器而言,，變頻器正常運行時，PO,、PC/-端直流電壓約為380V 的1.35倍,，即513V左右,。當該電壓小于某一值時,，變頻器會出現欠壓故障顯示。但在某些特殊的應用場合,，如兩臺變頻器直流共母線運行時,，其中一臺變頻器可以不接交流進線電源，而直接由另一臺變頻器的直流母線供電,，此時仍可保證變頻器正常運行,。 實際應用表明，盡管通用變頻器的交流供電電源要求為三相交流電,，但在特定的條件下,，只要直流母線電壓高于其規(guī)定的最小電壓值，即使是單相電源供電,，變頻器仍可正常運行,。這就為商務樓中的變頻器銷售公司在無三相電源的條件下進行變頻器調試提供了方便。圖2-25所示為單相電源下調試三相變頻器的示意圖,，圖中Tr為升壓變壓器,，可將220V交流電壓提升到380V。需要注意的是,，此時需屏蔽變頻器內部進線電源缺相保護功能,。此外，這種方法僅適合不帶負載情況下的變頻器調試,，帶上負載則有可能損毀變頻器,。  圖2-25 單相電源下調試三相變頻器 1．變頻器的限流電路 變頻器主電路中，整流電路的功能是將固定頻率固定電壓的交流電變換成脈動直流電,；濾波電路對整流個后的直流電進行平滑,，濾除其中的高次諧波。  圖2-26 交-直-交變頻器主電路 由于電容電壓不能突變，因此在變頻器接通電源瞬間,，濾波電容CF1,、CF2相當于短路，電路中產生很大的瞬間沖擊電流,，該電流流經整流橋和濾波電容時會造成電路損壞,。為此，在電路中接入限流電阻RL以將充電電流限制在較小的范圍之內,，消除電流沖擊,。但是，如果限流電阻RL長時間接在電路中,，一方面會導致直流輸出電壓下降,，另一方面電路的損耗也會增大。因此,，在電容充電達到一定的程度之后必須將限流電阻RL短路掉,，如圖2-27所示。早期的通用變頻器采用接觸器KM作為短路器件,，在變頻器接通電源時候會聽到接觸器吸合的聲音,，而目前一般采用SCR或GTR作為短路器件。 限流電阻RL的取值一般為40~50Ω,，取50Ω,，因此最大充電電流為： 當濾波電容取5000μF時，充電時間常數為時間為： 充電時間為0.75~1s,，充電時間短,，因此限流電阻功率不小于20W即可。 2．直流電壓指示電路 直流電壓指示電路由指示燈HL和電阻RH構成,，用以顯示直流電壓,。由于濾波電容CF1、CF2的電容量較大,，而切斷電源又必須在逆變電路停止工作的狀態(tài)下進行,，所以CF缺少快速放電的回路，其放電時間較長,。CF上較高的充電電壓如果不能完全放電則會對人身安全構成威脅,，因此，由指示燈HL和電阻RH實現對直流電壓的指示,，操作者通過觀察指示燈HL是否完全熄滅來斷定CF是否放電結束（通常5分鐘左右,，變頻器容量不同指示燈熄滅時間不同），可以保障變頻器停止運行后進行的拆卸主回路端子接線或維修工作安全進行,。圖2-28所示是ATV312變頻器操作面板上的直流電壓指示燈,，有些變頻器例如ATV71變頻器,，其直流電壓指示燈安裝在變頻器內部主板上。  圖2-27 直流電壓指示電路和限流電路 1．逆變電路 變頻器中的逆變電路又稱逆變單元,，是由絕緣柵場效應晶體管IGBT組成的三相逆變橋,。它的作用是把直流電壓轉換成頻率電壓可調的交流電壓。逆變橋中的IGBT工作于導通和截止兩種狀態(tài),，相當于開關的接通和斷開,。根據控制電路輸出的控制信號，6個IGBT輪流導通和截止,，將直流母線電壓逆變成SPWM波,。 圖2-29 逆變電路 變頻器中的逆變電路是由全控開關器件（多采用IGBT）VI1~VI6構成的逆變橋，功能是把直流電轉換為頻率,、電壓可調的交流電,。由圖2-29可見，在每個IGBT旁邊都反向并聯一個二極管,，作用是為電動機負載向直流側反饋能量提供通道,。此外，異步電動機是感性負載,，其電流在相位上滯后于電壓一個電角度,，二極管VD也是使負載電流連續(xù)流通的通道，即具有續(xù)流作用,。 在變頻器接線時，注意不要將電源側和電動機側接反,，否則會導致逆變模塊全部損壞,。 2．制動單元及制動電阻 圖2-30所示電路中，全控開關器件VT及R組成制動電路,，主要防止變頻器運行在第二象限及第四象限即電動機處于再生制動狀態(tài)時,，濾波電容電荷積累使直流回路產生泵升電壓而導致的器件損壞。圖2-30a)所示為內置制動單元,，當變頻器容量較大如大于7.5kW時,，制動單元需要外置，這時變頻器直流主回路的引出端子與圖2-30b）所示,。 圖2-30 變頻器的制動單元 圖2-31所示是安裝于實訓臺上的制動電阻R,。由于制動單元的工況屬于短時工作，即每次的通電時間很短,，在通電時間內,，其溫升遠遠達不到穩(wěn)定溫升；而每次通電后的間歇時間則較長,，在間歇時間內,，其溫度足以降到與環(huán)境溫度相同,，因此制動電阻的額定功率將大大降低，價格也隨之下降,；另外由于IGBT只有一個,，制動時間為ms級，對功率管開通與關斷的暫態(tài)性能指標要求低,，甚至要求關斷時間盡量短,，以減少關斷脈沖電壓，保護功率管,；控制機理也相對簡單,，實現較為容易。由于有以上優(yōu)點,，因此它廣泛應用于起重機等勢能負載及需快速制動但為短時工作制的場合,。 制動電阻阻值的選擇除受到變頻器專用型能耗制動單元最大允許電流的限制外，與制動單元也并無明確的對應關系,，其阻值主要根據所需制動轉矩的大小選擇,，功率根據電阻的阻值和使用率確定。制動電阻阻值的選定有一個不可違背的原則：應保證流過制動電阻的電流IC小于制動單元的允許最大電流輸出能力,，即： R > 800/Ic 其中：800 —— 變頻器直流側所可能出現的最大直流電壓 Ic —— 制動單元的最大允許電流,。 為充分利用所選用的變頻器專用型制動單元的容量，通常制動電阻阻值的選取以接近上式計算的最小值為最經濟,、同時還可獲得最大的制動轉矩,，然而這需要較大的制動電阻功率。在某些情況下,，并不需要很大的制動轉矩,，此時比較經濟的辦法是選擇較大的制動電阻阻值、也因此可以減小制動電阻的功率,，從而減少購買制動電阻所需的費用,，這樣的代價是制動單元的容量沒有得到充分利用。 在選定了制動電阻的阻值以后,，應該確定制動電阻的功率值,，制動電阻功率的選取相對比較繁瑣，它與很多因素有關,。制動電阻消耗的瞬時功率按下式計算： P 瞬= 7002 /R 按上式計算得到的制動電阻功率值是制動電阻可以長期不間斷的工作可以耗散的功率數值,，然而制動電阻并非是不間斷的工作，這種選取存在很大的浪費,。實際選用時,，還需要考慮制動電阻的使用率，它規(guī)定了制動電阻的短時工作比率,。制動電阻實際消耗的功率按下式計算： P 額=7002 /R×rB% 式中,，rB%——制動電阻使用率,。 使用中，可以按照上式選擇制動電阻功率,，也可以根據所選取的制動電阻阻值和功率,，反過來計算制動電阻所能夠承受的使用率，從而正確設置,，避免制動電阻過熱而損壞,。 圖2-31 實訓臺上的制動電阻
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