变频器的电路原理图及其调速原理.docx

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变频器的电路原理图及其调速原理

变频器的电路原理图及其调速原理

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变频器电路原理图

一、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20～30％

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60~70％，而线性电源只有30~40%

二、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:

三、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

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四、变频器的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（15～30V）；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IGBTVCE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1HCPL—316J内部原理图本文为互联网收集,请勿用作商业用途文档为个人收集整理,来源于网络

（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IGBTC～E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C～E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C~E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，IGBTVCE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。

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交流异步电动机变频调速原理：

变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。

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。

变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。

交-直部分

整流电路:

由VD1-VD6六个整流二极管组成不可控全波整流桥。

对于380V的额定电源，一般二极管反向耐压值应选1200V，二极管的正向电流为电机额定电流的1.414-2倍。

（二）变频器元件作用

电容C1：

是吸收电容，整流电路输出是脉动的直流电压,必须加以滤波，

变压器是一种常见的电气设备，可用来把某种数值的交变电压变换为同频率的另一数值的交变电压，也可以改变交流电的数值及变换阻抗或改变相位.

压敏电阻：

有三个作用，一过电压保护，二耐雷击要求，三安规测试需要。

热敏电阻:

过热保护

霍尔：

安装在UVW的其中二相,用于检测输出电流值。

选用时额定电流约为电机额定电流的2倍左右.

充电电阻：

作用是防止开机上电瞬间电容对地短路，烧坏储能电容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.一般而言变频器的功率越大,充电电阻越小.充电电阻的选择范围一般为：

10-300Ω.

储能电容：

又叫电解电容，在充电电路中主要作用为储能和滤波.PN端的电压电压工作范围一般在430VDC～700VDC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。

容量选择≥60uf/A

均压电阻：

防止由于储能电容电压的不均烧坏储能电容；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。

C2电容;

吸收电容,主要作用为吸收IGBT的过流与过压能量。

（2）直—交部分

VT1-VT6逆变管（IGBT绝缘栅双极型功率管）：

构成逆变电路的主要器件,也是变频器的核心元件。

把直流电逆变频率，幅值都可调的交流电。

VT1-VT6是续流二极：

作用是把在电动机在制动过程中将再生电流返回直流电提供通道并为逆变管VT1-VT6在交替导通和截止的换相过程中，提供通道。

（3）控制部分：

电源板、驱动板、控制板（CPU板）

电源板：

开关电源电路向操作面板、主控板、驱动电路、检测电路及风扇等提供低压电源，开关电源提供的低压电源有:

±5V、±15V、±24V向CPU其附属电路、控制电路、显示面板等提供电源.

驱动板：

主要是将CPU生成的PWM脉冲经驱动电路产生符合要求的驱动信号激励IGBT输出电压。

控制板（CPU板）：

也叫CPU板相当人的大脑,处理各种信号以及控制程序等部分

（三）电机的旋转速度为什么能够自由地改变？

      ＊1:

r/min 

      电机旋转速度单位：

每分钟旋转次数，也可表示为rpm.

      例如：

2极电机50Hz3000［r/min]

      4极电机50Hz1500［r/min]

      $电机的旋转速度同频率成比例

      本文中所指的电机为感应式交流电机，在工业中所使用的大部分电机均为此类型电机。

感应式交流电机（以后简称为电机）的旋转速度近似地确决于电机的极数和频率。

　　由电机的工作原理决定电机的极数是固定不变的。

由于该极数值不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以一般不适和通过改变该值来调整电机的速度.

      另外，频率能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。

      因此，以控制频率为目的的变频器,是做为电机调速设备的优选设备。

      n=60f/p

      n：

同步速度

      f：

电源频率

      p:

电机极对数

      $改变频率和电压是最优的电机控制方法

      如果仅改变频率而不改变电压，频率降低时会使电机出于过电压（过励磁），导致电机可能被烧坏。

因此变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。

      输出频率在额定频率以上时，电压却不可以继续增加，最高只能是等于电机的额定电压.

      例如：

为了使电机的旋转速度减半，把变频器的输出频率从50Hz改变到25Hz，这时变频器的输出电压就需要从400V改变到约200V

      2。

当电机的旋转速度（频率）改变时，其输出转矩会怎样？

      ＊1：

工频电源

      由电网提供的动力电源（商用电源）

（四）起动电流

      当电机开始运转时，变频器的输出电流

      ——----变频器驱动时的起动转矩和最大转矩要小于直接用工频电源驱动—--—-—

      电机在工频电源供电时起动和加速冲击很大,而当使用变频器供电时,这些冲击就要弱一些。

工频直接起动会产生一个大的起动电流.而当使用变频器时,变频器的输出电压和频率是逐渐加到电机上的，所以电机起动电流和冲击要小些。

      通常,电机产生的转矩要随频率的减小（速度降低）而减小。

减小的实际数据在有的变频器手册中会给出说明.

      通过使用磁通矢量控制的变频器，将改善电机低速时转矩的不足，甚至在低速区电机也可输出足够的转矩。

（五）当变频器调速到大于50Hz频率时，电机的输出转矩将降低—本文为互联网收集，请勿用作商业用途文档为个人收集整理,来源于网络

      通常的电机是按50Hz电压设计制造的,其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。

因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速.（T=Te，P〈=Pe）

      变频器输出频率大于50Hz频率时，电机产生的转矩要以和频率成反比的线性关系下降。

      当电机以大于50Hz频率速度运行时，电机负载的大小必须要给予考虑，以防止电机输出转矩的不足.

      举例,电机在100Hz时产生的转矩大约要降低到50Hz时产生转矩的1/2。

      因此在额定频率之上的调速称为恒功率调速。

（P=Ue＊Ie）

（六）变频器50Hz以上的应用情况

      大家知道，对一个特定的电机来说,其额定电压和额定电流是不变的。

      如变频器和电机额定值都是:

15kW/380V/30A，电机可以工作在50Hz以上

      当转速为50Hz时，变频器的输出电压为380V，电流为30A.这时如果增大输出频率到60Hz,变频器的最大输出电压电流还只能为380V/30A。

很显然输出功率不变。

所以我们称之为恒功率调速。

      这时的转矩情况怎样呢?

      因为P=wT（w:

角速度，T：

转矩）。

因为P不变，w增加了,所以转矩会相应减小.　　

      我们还可以再换一个角度来看:

      电机的定子电压U=E+I*R（I为电流,R为电子电阻,E为感应电势）

      可以看出,U,I不变时，E也不变。

      而E=k＊f*X，（k:

常数,f：

频率,X:

磁通）,所以当f由50——>60Hz时，X会相应减小 

      对于电机来说，T=K＊I＊X,（K:

常数，I:

电流,X：

磁通），因此转矩T会跟着磁通X减小而减小.

      同时，小于50Hz时，由于I*R很小，所以U/f=E/f不变时,磁通（X）为常数.转矩T和电流成正比.这也就是为什么通常用变频器的过流能力来描述其过载（转矩）能力.并称为恒转矩调速（额定电流不变-->最大转矩不变）

      结论:

当变频器输出频率从50Hz以上增加时，电机的输出转矩会减小。

（七）其他和输出转矩有关的因素

      发热和散热能力决定变频器的输出电流能力,从而影响变频器的输出转矩能力。

      载波频率：

一般变频器所标的额定电流都是以最高载波频率,最高环境温度下能保证持续输出的数值.降低载波频率,电机的电流不会受到影响。

但元器件的发热会减小。

      环境温度：

就象不会因为检测到周围温度比较低时就增大变频器保护电流值.

      海拔高度:

海拔高度增加,对散热和绝缘性能都有影响.一般1000m以下可以不考虑。

以上每1000米降容5％就可以了.

（八）矢量控制是怎样改善电机的输出转矩能力的？

      ＊1：

转矩提升

      此功能增加变频器的输出电压（主要是低频时），以补偿定子电阻上电压降引起的输出转矩损失，从而改善电机的输出转矩。

      $改善电机低速输出转矩不足的技术

      使用”矢量控制"，可以使电机在低速,如（无速度传感器时）1Hz（对4极电机，其转速大约为30r/min）时的输出转矩可以达到电机在50Hz供电输出的转矩（最大约为额定转矩的150％）。

      对于常规的V/F控制，电机的电压降随着电机速度的降低而相对增加，这就导致由于励磁不足，而使电机不能获得足够的旋转力.为了补偿这个不足，变频器中需要通过提高电压,来补偿电机速度降低而引起的电压降。

变频器的这个功能叫做"转矩提升"（*1）。

      转矩提升功能是提高变频器的输出电压。

然而即使提高很多输出电压，电机转矩并不能和其电流相对应的提高.因为电机电流包含电机产生的转矩分量和其它分量（如励磁分量）。

      "矢量控制"把电机的电流值进行分配，从而确定产生转矩的电机电流分量和其它电流分量（如励磁分量）的数值.

      ”矢量控制”可以通过对电机端的电压降的响应，进行优化补偿，在不增加电流的情况下，允许电机产出大的转矩。

此功能对改善电机低速时温升也有效.

      变频器基础原理知识

      1。

变频器基础

      1：

VVVF是VariableVoltageandVariableFrequency的缩写，意为改变电压和改变频率，也就是人们所说的变压变频。

      2:

CVCF是ConstantVoltageandConstantFrequency的缩写，意为恒电压、恒频率，也就是人们所说的恒压恒频.

      我们使用的电源分为交流电源和直流电源,一般的直流电源大多是由交流电源通过变压器变压,整流滤波后得到的。

交流电源在人们使用电源中占总使用电源的95％左右。

      无论是用于家庭还是用于工厂，单相交流电源和三相交流电源，其电压和频率均按各国的规定有一定的标准，如我国大陆规定，直接用户单相交流电为220V，三相交流电线电压为380V,频率为50Hz，其它国家的电源电压和频率可能于我国的电压和频率不同，如有单相100V/60Hz，三相200V/60Hz等等，标准的电压和频率的交流供电电源叫工频交流电。

      通常，把电压和频率固定不变的工频交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器"。

      为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电（DC），这个过程叫整流。

      把直流电（DC）变换为交流电（AC）的装置，其科学术语为“inverter”（逆变器）。

      一般逆变器是把直流电源逆变为一定的固定频率和一定电压的逆变电源。

对于逆变为频率可调、电压可调的逆变器我们称为变频器。

      变频器输出的波形是模拟正弦波，主要是用在三相异步电动机调速用，又叫变频调速器。

      对于主要用在仪器仪表的检测设备中的波形要求较高的可变频率逆变器,要对波形进行整理，可以输出标准的正弦波，叫变频电源.一般变频电源是变频器价格的15－－20倍。

      由于变频器设备中产生变化的电压或频率的主要装置叫“inverter”，故该产品本身就被命名为“inverter”，即：

变频器

      变频器也可用于家电产品。

使用变频器的家电产品中，不仅有电机（例如空调等），还有荧光灯等产品。

      用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。

但用于荧光灯的变频器主要用于调节电源供电的频率。

      变频器的工作原理被广泛应用于各个领域.例如计算机电源的供电,在该项应用中，变频器用于抑制反向电压、频率的波动及电源的瞬间断电。

（九）电机的旋转速度为什么能够自由地改变？

      n=60f/p（1—s）　n：

电机的转速f:

电源频率p：

电机磁极对数s：

电机的转差率

      电机的转速=60（秒）＊频率（Hz）/电机的磁极对数-电机的转差率

      电机旋转速度单位：

每分钟旋转次数，rpm/min也可表示为rpm 

      电机的旋转速度同频率成比例同步电机的转差矩为0，同步电机的转速=60（秒）＊频率（Hz）／电机的磁极对数

      异步的转速比同步电机的转速低.

      例如:

4极三相步电机60Hz时低于1,800[r/min]4极三相异步电机50Hz时低于1，500［r/min]

      本文中所指的电机为感应式交流电机，在工业领域所使用的大部分电机均为此类型电机。

      感应式交流电机（以后简称为电机）的旋转速度近似地确决于电机的极对数和频率。

      由电机的工作原理决定电机的磁极对数是固定不变的。

由于电机的磁极对数1个磁极对数等于2极,电机的极数不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以不适和改变该值来调整电机的速度.

      另外,频率是电机供电电源的电信号,所以该值能够在电机的外面调节后再供给电机,这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。

      因此,以控制频率为目的的变频器，是做为电机调速设备的优选设备。

（十）改变频率和电压是最优的电机控制方法

      如果仅改变频率，电机将被烧坏。

特别是当频率降低时，该问题就非常突出。

为了防止电机烧毁事故的发生，变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压.

      例如：

为了使电机的旋转速度减半，变频器的输出频率必须从60Hz改变到30Hz，这时变频器的输出电压就必须从400V改变到约200V.

      如果要正确的使用变频器,必须认真地考虑散热的问题。

      变频器的故障率随温度升高而成指数的上升。

使用寿命随温度升高而成指数的下降。

环境温度升高10度，变频器使用寿命减半.因此,我们要重视散热问题啊!

      在变频器工作时，流过变频器的电流是很大的,变频器产生的热量也是非常大的,不能忽视其发热所产生的影响 

      通常，变频器安装在控制柜中。

我们要了解一台变频器的发热量大概是多少.可以用以下公式估算：

      发热量的近似值＝变频器容量（KW）×55[W]在这里,如果变频器容量是以恒转矩负载为准的（过流能力150%*60s）如果变频器带有直流电抗器或交流电抗器,并且也在柜子里面,这时发热量会更大一些.电抗器安装在变频器侧面或测上方比较好。

      这时可以用估算:

变频器容量（KW）×60［W］因为各变频器厂家的硬件都差不多,所以上式可以针对各品牌的产品。

注意：

如果有制动电阻的话,因为制动电阻的散热量很大，因此最好安装位置最好和变频器隔离开，如装在柜子上面或旁边等。

（十一）那么，怎样采能降低控制柜内的发热量呢?

      当变频器安装在控制机柜中时，要考虑变频器发热值的问题。

      根据机柜内产生热量值的增加，要适当地增加机柜的尺寸.因此，要使控制机柜的尺寸尽量减小，就必须要使机柜中产生的热量值尽可能地减少.

      如果在变频器安装时,把变频器的散热器部分放到控制机柜的外面,将会使变频器有70%的发热量释放到控制机柜的外面。

由于大容量变频器有很大的发热量,所以对大容量变频器更加有效。

      还可以用隔离板把本体和散热器隔开,使散热器的散热不影响到变频器本体.这样效果也很好。

      变频器散热设计中都是以垂直安装为基础的，横着放散热会变差的！

（十二）关于冷却风扇

      一般功率稍微大一点的变频器，都带有冷却风扇。

同时，也建议在控制柜上出风口安装冷却风扇。

进风口要加滤网以防止灰尘进入控制柜。

注意控制柜和变频器上的风扇都是要的，不能谁替代谁。

其他关于散热的问题 

      1、在海拔高于1000m的地方，因为空气密度降低，因此应加大柜子的冷却风量以改善冷却效果。

理论上变频器也应考虑降容,1000m每-5%。

但由于实际