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变频器的硬件组成原理

随着变频器在工业生产中日益广泛的应用，变频器对于大家来说越来越重要，而了解变频器的组成原理能够帮助我们更好地使用变频器。
目前，通用变频器绝大多数是交-直-交变频器，通常尤以电压源型变频器较常用，变频器的核心电路由整流电路（交-直变换）、直流滤波电路（能耗电路）及逆变电路（直．交变换）组成，当然还
包括限流电路、制动电路、控制电路等其他组成部分。

下面我们就变频器的各硬件部分进行描述讲解：
1．整流电路
通用变频器的整流电路是由三相桥式整流电路组成的。它的功能是将工频电进行整流，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。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，从而避免由此而导致的变频器损坏。当电源电压为三相380V时，整流器件的较大反向电压一般为1200 - 1600V，
较大整流电流为变频器额定电流的两倍。
2．直流滤波电路
为了减小直流电压和电流的波动，可以用到直流滤波电路，它可以起到对整流电路输出滤波的作用。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，这种无功能量要靠中间直流电路的储能元件来缓冲。通用变频器直流滤波电路包含大电容量铝电解电容，它是由若干个电容器串联和并联构成的电容器组，以得
到所需的耐压值和电容量。
3．逆变电路
(1)逆变电路的作用 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转换成频率和电压都可以任意调节的交流电。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。较常见的逆变电路结构形式是利用六个功率开关器件（CTR、ICBT、IGCT、CTO晶闸管等）组成的三相桥式逆变电路，有规律地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。
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，为异步电动机的更新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。另外
，当位于同一桥臂上的两个开关器件同时处于开通状态时将会出现短路现象，并烧毁换相器件，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，对换相器件进行保护。
(2)逆变电路构成原理 逆变部分功率器件常采用集成门极换向晶闸管(IGCT)，由于受到器件开关损耗，尤其是关断损耗的限制，IGCT的开关频率为600Hz左右。逆变电路中的di/dt限制电路主要由di/dt
限制电抗器、与之反并联的续流二极管和电阻组成，因为IGCT本身不能控制di/dt，所以必须通过外加的di/dt限制电路，使逆变器ICCT反并联续流二极管的反向恢复控制在安全运行范围内，同时该限制
电路也用于限制短路时的电流上升率。保护用IGCT的作用是当逆变器发生短路等故障时，切断短路电流，起到快速熔断器的作用。
由于逆变电路采用ICCT作为功率器件，而ICCT本身不像IGBT那样存在过电流退饱和效应，所以可以通过检测阳极电压上升来进行短路检测，并通过门极关断进行保护，所以必须通过霍尔电流传感器
，检测到过电流，然后通过串联在上下直流母线的两个保护用ICCT进行关断。
(3)逆变器控制电路中的保护电路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：
1)逆变器保护：
①瞬时过电流保护。此保护用于应对逆变电流负载侧短路等，当发生短路，流过逆变器电路的电流达到异常值（超过容许值）时，瞬时停止逆变器运行，切断电流。
②过载保护。当持续电流超过规定时间时，为防止逆变器件、电线等损坏，要停止逆变器运行。
③更新过电压保护。应用逆变器使电动机快速减速时，由于更新功率使直流电路电压升高，有时超过容许值，可以采取停止逆变器运行的方法，防止过电压。
④瞬时断电保护。瞬时断电保护是对于毫秒级内的瞬时断电，控制电路需正常工作的保护功能。但瞬时断电如果达10ms以上时，通常不仅控制电路误动作，
主电路也不供电，所以检测出这种情况后使逆变器停止运行。
⑤接地过电流保护。逆变器负载接地时，为了保护逆变器，要有接地过电流保护功能。同时为了保证人身安全，需要装设剩余电流断路器。
⑥冷却风机过热保护。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温度传感器，检测出异常后停止逆变器工作。
2)异步电动机的保护：
①过载保护。当变频器低速运行时间较长时，电动机容易过热，因此在异步电动机内可埋入温度检出器，或者利用装在逆变器内的电子热保护来检出过热，对电动机作过载保护；当电动机动作过频
时，应考虑减轻电动机负载、增加电动机及逆变器的容量等。
②***保护。当逆变器的输出频率或者异步电动机的速度超过规定值时，停止逆变器运行。
3)其他保护：
①防止失速过电流。当变频器使电动机加速时，如果异步电动机跟进迟缓，则过电流保护电路动作时，运行就不能继续进行（失速）。所以，在负载电流减小之前要进行控制，舒缓频率上升或使频
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防止失速更新过电压。当变频器使电动机减速时产生的更新能量使主电路直流电压上升，为防止更新过电压电路保护动作，在直流电压下降之前要进行控制，舒缓频率下降，防止不能运转（失速
）。
4．变频器控制电路
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网络，称为控制电路。控制电路由频率、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等组成。无速度检测电路为开环控制；在控制电路中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更准确的闭环控
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、电流检测电路是与主电路电位隔离的电路。
3)驱动电路为驱动主电路器件的电路，它与控制电路隔离，控制主电路器件的导通与关断。
4)110电路使变频器更好地实现人机交互，其具有多信号（比如多段速度运行等）的输入，还有各种内部参数（比如电流、频率、保护动作驱动等）的输入。
5)速度检测电路将装在异步电动机轴上的速度检测器(检测时速发电机(TG)、编码器( PLG)等）的信号设为速度信号，送人运算电路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。
6)保护电路的作用是当电动机发生过载或过电压等异常情况时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或舒缓电压、电流值。一般而言，同外部进行信号交流的基本电路有模拟与数
字两种：
①4 - 20mA电流信号电路（模拟），1-5V/0 -5V电压信号电路（模拟）。
②开关信号电路，变频器的开停指令，正反转指令等（数字）。

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