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变频器的构成

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一、 主电路

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  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

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  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。

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  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。

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  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

  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。

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  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。

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  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

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  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。

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二、 控制电路

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  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

  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。

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  (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。

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  (2)电压、电流检测电路 与主回路电位隔离检测电压、电流等。

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  (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。

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  (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。

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  (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。

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  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

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1.逆变器保护

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  (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。

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  (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。

  (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。

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  (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。

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  (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。

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  (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。

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2.异步电动机的保护

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  (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。

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  (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。

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3.其他保护

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  (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。

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  (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)。

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