变频器主电路概述

变频器即电压频率变换器，是一种将固定频率的交流电变换成频率、电压连续可调的交流电，以供给电动机运转的电源装置。目前国内外变频器的种类很多，不同种类的变频器其主电路也不尽相同。

1.变频器的分类

1.1按变换环节分类

（1）交-直-交变频器 交-直-交变频器首先将频率固定的交流电整流成直流电，经过滤波，再将平滑的直流电逆变成频率连续可调的交流电。由于把直流电逆变成交流电的环节较易控制，因此在频率的调节范围内，以及改善频率后电动机的特性等方面都有明显的优势，目前，此种变频器已得到普及。

（2）交-交变频器 交-交变频器把频率固定的交流电直接变换成频率连续可调的交流电。其主要优点是没有中间环节，故变换效率高。但其连续可调的频率范围窄，一般为额定频率的1/20以下，故它主要用于低速大容量的拖动系统中。

1.2按照主电路工作方式分类

（1）电压型变频器 在交-直-交变压变频装置中，当中间直流环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下可以等效成一个内阻抗为零的恒压源，输出的交流电压是矩形波或阶梯波，这类变频装置称做电压型变频器。一般的交-交变压变频装置虽然没有滤波电容，但供电电源的低阻抗使它具有电压源的性质，也属于电压型变频器。

（2）电流型变频器 在交-直-交变压变频装置中，当中间直流环节采用大电感滤波时，直流电流波形比较平直，因而电源内阻抗很大，对负载来说基本上是一个电流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，这类变频装置称作电流型变频器。有的交-交变压变频装置用电抗器将输出电流强制变成矩形波或阶梯波，具有电流源的性质，它也是电流型变频器。

1.3按用途分类

（1）专用变频器 是针对某一种特定的对象设计的，这种变频器在某一方面的特性比较优越，如风机用变频器、水泵用变频器、电梯及起重机械专用变频器。

（2）节能型变频器和通用型变频器 常见的中小容量变频器主要有两类，节能型变频器和通用型变频器，节能型变频器的负载主要是风机、水泵等二次方率负载，它们对调速要求不高，因此控制方式比较单一，一般只有VF控制，价格比较便宜。通用型变频器主要用在调速上，功能较多，控制方式除V/F控制外，还具有矢量控制功能以及PLC控制、PID调节、PG闭环速度控制等功能。

2．通用变频器的组成

通用变频器的组成如图1-1所示。由图可见，通用型变频器一般由主电路、控制电路、数字设定单元以及冷却风机等几个部分组成。其中，主电路又由整流电路、中间直流电路和逆变电路三部分组成。它通过主电路将固定频率固定电压的交流电变换成电压和频率均可调的交流电，主电路的电流很大。控制单元接受通过数字设定单元设定的运行频率、启动停止等指令实现对逆变电路的控制。变频器的硬件组成中还包括过电压、过电流以及高温报警并关断逆变管，给出错误报警及错误代码的保护电路。

图2-17 通用变频器的组成

3．变频器的主电路

熟悉变频器的主电路对变频器的安装、保护等有着重要的意义。不同品牌通用变频器的主电路基本相同，一般均采用如图2-18所示的交-直-交电压源型电路。图中，整流电路的功能是将固定频率固定电压的交流电变换成脉动直流电；直流电路的功能是对整流后的脉动直流电进行滤波、限流、均压、显示；逆变电路的功能是将直流电转换为频率及电压均可变的交流电供给三相交流电动机。

图2-18 交-直-交变频器主电路

4．ATV312变频器主电路的接线端子及外部接线

4.1接线端子

ATV312变频器主电路的接线端子分布如图2-19所示，端子中PO、PC-为直流母线引出端子，PA+和PO由短接片短接，可以接直流电抗器，PA+与PB之间接制动电阻。

图2-19 ATV312变频器主电路的接线端子

4.2外部接线

图2-20所示是220V单相变频器的动力端子接线图。

图2-20 变频器动力端子接线图

图2-20中，电源侧空气开关除接通电源外还具有隔离和过电流及欠电压保护功能。除空气开关外，电源侧还可接入与报警端子配合使用的接触器KM常闭触点，用于接通和切断变频器电源，可使变频器故障时迅速脱离电源。在一台变频器驱动一台电动机的情况下，变频器的输出侧一般直接接电动机，如果输出侧接有接触器，有可能出现变频器的输出频率从0Hz开始上升时，电动机却因接触器未闭合而并不起动，等接触器闭合时，变频器已经有较高的输出频率，构成电动机在一定频率下的直接起动，导致变频器因过电流而跳闸。此外，因为变频器内部具有十分完善的热保护功能，没有必要接入热继电器。

主电路的整流和滤波电路

变频器主电路中，整流电路的功能是将固定频率固定电压的交流电变换成脉动直流电；滤波电路对整流后的直流电进行平滑，滤除其中的高次谐波。

图2-21 交-直-交变频器主电路

1．整流电路

整流电路的作用是将固定频率固定电压的交流电变换成脉动直流电，大多采用桥式整流电路，在中小容量变频器中一般采用不可控整流二极管或二极管模块（整流桥）。

图2-22 整流模块

由图2-22可见，整流电路是由不可控的电力二极管组成VD1~VD6构成的不可控三相全波整流电路。

在不通电的情况下，根据二极管所具有的单向导电性，可以用指针式万用表判断其好坏，如图2-3所示。首先判断VD1、VD3、VD5的好坏，将万用表的红表笔接变频器主电路的PO端子，黑表笔依次接电源进线端子R、S、T，此时二极管正向偏置，万用表指示值接近于；将红黑表笔交换，黑表笔接变频器主电路的PO端子，红表笔依次接电源进线端子R、S、T，此时二极管反向偏置，万用表指示值接近于∞；用同样的方法检测VD2、VD4、VD6，若二极管正向偏置电阻小，反向偏置电阻大，表明整流桥式正常的。

图2-23 整流桥的检测

2．滤波电路

在交-直-交变频器中，滤波电路有电容和电感滤波两种形式，ATV312变频器等中小容量的变频器一般采用电容滤波。如图2-21所示变频器主电路中，滤波电容CF1、CF2用来平滑整流后的脉动直流电压。

由于受到电解电容的容量和耐压能力的限制，滤波电路通常由两组电容器先并联再串联组成。如图2-24所示，滤波电容CF1、CF2均为数个电容器并联而成的电容器组。

根据电路要求，CF1、CF2电压应保持相等，但由于电解电容的电容量有较大的离散性，故电容器组CF1、CF2的电容量不能完全相等，造成分压不均，其中分压较高的电容器组容易被损坏。为此，在CF1、CF2两端各并联一个阻值相等的电阻RC1、RC2组成均压电路。其均压原理是：假设CF1

图2-24 滤波电路

图2-21中，直流电抗器DL用于滤除直流电压中的高次谐波，提高变频器的功率因数。由于变频器出厂时的标准配置不含直流电抗器，因此出厂时主回路端子PO、PA+一般用短接片进行短接，如图2-24所示。

端子PO、PC/-为变频器直流母线的两个引出端。对于380V交流电源供电的三相变频器而言，变频器正常运行时，PO、PC/-端直流电压约为380V 的1.35倍，即513V左右。当该电压小于某一值时，变频器会出现欠压故障显示。但在某些特殊的应用场合，如两台变频器直流共母线运行时，其中一台变频器可以不接交流进线电源，而直接由另一台变频器的直流母线供电，此时仍可保证变频器正常运行。

实际应用表明，尽管通用变频器的交流供电电源要求为三相交流电，但在特定的条件下，只要直流母线电压高于其规定的最小电压值，即使是单相电源供电，变频器仍可正常运行。这就为商务楼中的变频器销售公司在无三相电源的条件下进行变频器调试提供了方便。图2-25所示为单相电源下调试三相变频器的示意图，图中Tr为升压变压器，可将220V交流电压提升到380V。需要注意的是，此时需屏蔽变频器内部进线电源缺相保护功能。此外，这种方法仅适合不带负载情况下的变频器调试，带上负载则有可能损毁变频器。

图2-25 单相电源下调试三相变频器

1．变频器的限流电路

变频器主电路中，整流电路的功能是将固定频率固定电压的交流电变换成脉动直流电；滤波电路对整流个后的直流电进行平滑，滤除其中的高次谐波。

图2-26 交-直-交变频器主电路

由于电容电压不能突变，因此在变频器接通电源瞬间，滤波电容CF1、CF2相当于短路，电路中产生很大的瞬间冲击电流，该电流流经整流桥和滤波电容时会造成电路损坏。为此，在电路中接入限流电阻RL以将充电电流限制在较小的范围之内，消除电流冲击。但是，如果限流电阻RL长时间接在电路中，一方面会导致直流输出电压下降，另一方面电路的损耗也会增大。因此，在电容充电达到一定的程度之后必须将限流电阻RL短路掉，如图2-27所示。早期的通用变频器采用接触器KM作为短路器件，在变频器接通电源时候会听到接触器吸合的声音，而目前一般采用SCR或GTR作为短路器件。

限流电阻RL的取值一般为40~50Ω，取50Ω，因此最大充电电流为：

当滤波电容取5000μF时，充电时间常数为时间为：

充电时间为0.75~1s，充电时间短，因此限流电阻功率不小于20W即可。

2．直流电压指示电路

直流电压指示电路由指示灯HL和电阻RH构成，用以显示直流电压。由于滤波电容CF1、CF2的电容量较大，而切断电源又必须在逆变电路停止工作的状态下进行，所以CF缺少快速放电的回路，其放电时间较长。CF上较高的充电电压如果不能完全放电则会对人身安全构成威胁，因此，由指示灯HL和电阻RH实现对直流电压的指示，操作者通过观察指示灯HL是否完全熄灭来断定CF是否放电结束（通常5分钟左右，变频器容量不同指示灯熄灭时间不同），可以保障变频器停止运行后进行的拆卸主回路端子接线或维修工作安全进行。图2-28所示是ATV312变频器操作面板上的直流电压指示灯，有些变频器例如ATV71变频器，其直流电压指示灯安装在变频器内部主板上。

图2-27 直流电压指示电路和限流电路

1．逆变电路

变频器中的逆变电路又称逆变单元，是由绝缘栅场效应晶体管IGBT组成的三相逆变桥。它的作用是把直流电压转换成频率电压可调的交流电压。逆变桥中的IGBT工作于导通和截止两种状态，相当于开关的接通和断开。根据控制电路输出的控制信号，6个IGBT轮流导通和截止，将直流母线电压逆变成SPWM波。

图2-29 逆变电路

变频器中的逆变电路是由全控开关器件（多采用IGBT）VI1~VI6构成的逆变桥，功能是把直流电转换为频率、电压可调的交流电。由图2-29可见，在每个IGBT旁边都反向并联一个二极管，作用是为电动机负载向直流侧反馈能量提供通道。此外，异步电动机是感性负载，其电流在相位上滞后于电压一个电角度，二极管VD也是使负载电流连续流通的通道，即具有续流作用。

在变频器接线时，注意不要将电源侧和电动机侧接反，否则会导致逆变模块全部损坏。

2．制动单元及制动电阻

图2-30所示电路中，全控开关器件VT及R组成制动电路，主要防止变频器运行在第二象限及第四象限即电动机处于再生制动状态时，滤波电容电荷积累使直流回路产生泵升电压而导致的器件损坏。图2-30a)所示为内置制动单元，当变频器容量较大如大于7.5kW时，制动单元需要外置，这时变频器直流主回路的引出端子与图2-30b）所示。

图2-30 变频器的制动单元

图2-31所示是安装于实训台上的制动电阻R。由于制动单元的工况属于短时工作，即每次的通电时间很短，在通电时间内，其温升远远达不到稳定温升；而每次通电后的间歇时间则较长，在间歇时间内，其温度足以降到与环境温度相同，因此制动电阻的额定功率将大大降低，价格也随之下降；另外由于IGBT只有一个，制动时间为ms级，对功率管开通与关断的暂态性能指标要求低，甚至要求关断时间尽量短，以减少关断脉冲电压，保护功率管；控制机理也相对简单，实现较为容易。由于有以上优点，因此它广泛应用于起重机等势能负载及需快速制动但为短时工作制的场合。

制动电阻阻值的选择除受到变频器专用型能耗制动单元最大允许电流的限制外，与制动单元也并无明确的对应关系，其阻值主要根据所需制动转矩的大小选择，功率根据电阻的阻值和使用率确定。制动电阻阻值的选定有一个不可违背的原则：应保证流过制动电阻的电流IC小于制动单元的允许最大电流输出能力，即：

R > 800/Ic

其中：800 —— 变频器直流侧所可能出现的最大直流电压

Ic —— 制动单元的最大允许电流。

为充分利用所选用的变频器专用型制动单元的容量，通常制动电阻阻值的选取以接近上式计算的最小值为最经济、同时还可获得最大的制动转矩，然而这需要较大的制动电阻功率。在某些情况下，并不需要很大的制动转矩，此时比较经济的办法是选择较大的制动电阻阻值、也因此可以减小制动电阻的功率，从而减少购买制动电阻所需的费用，这样的代价是制动单元的容量没有得到充分利用。

在选定了制动电阻的阻值以后，应该确定制动电阻的功率值，制动电阻功率的选取相对比较繁琐，它与很多因素有关。制动电阻消耗的瞬时功率按下式计算：

P 瞬= 7002 /R

按上式计算得到的制动电阻功率值是制动电阻可以长期不间断的工作可以耗散的功率数值，然而制动电阻并非是不间断的工作，这种选取存在很大的浪费。实际选用时，还需要考虑制动电阻的使用率，它规定了制动电阻的短时工作比率。制动电阻实际消耗的功率按下式计算：

P 额=7002 /R×rB%

式中，rB%——制动电阻使用率。

使用中，可以按照上式选择制动电阻功率，也可以根据所选取的制动电阻阻值和功率，反过来计算制动电阻所能够承受的使用率，从而正确设置，避免制动电阻过热而损坏。

图2-31 实训台上的制动电阻