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三菱變頻器的結(jié)構(gòu)及控制電路概述
發(fā)布時(shí)間:2020/5/10 瀏覽次數(shù):2072
三菱變頻器的結(jié)構(gòu)及控制電路概述
? ?三菱變頻器是將固定頻率的交流電變換為頻率連續(xù)可調(diào)的交流電的裝置。變頻器技術(shù)隨著微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)等的不斷發(fā)展而發(fā)展,其應(yīng)用越來(lái)越普及。
一、變頻器的結(jié)構(gòu)
? 通用變頻器由主電路和控制電路組成,其基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。主電路包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)和逆變器。控制電路由運(yùn)算電路、檢測(cè)電路、控制信號(hào)的輸人/輸出電路和驅(qū)動(dòng)電路組成。
?圖1-2 通用變頻器的基本結(jié)構(gòu)
?1、主電路

? (1)、整流電路整流電路的主要作用是把三相(或單相)交流電轉(zhuǎn)變成直流電,為逆變電路提供所需的直流電源。按使用的器件不同,整流電路可分為不可控整流電路和可控整流電路,如圖所示。

? 圖1-3 交-直-交電壓型變頻器主電路
? ?不可控整流電路使用的器件為電力二極管(PD),可控整流電路使用的器件通常為普通晶閘管(SCR)
? ? 1)、電力二極管(PD):指可以承受高電壓、大電流,具有較大耗散功率的二極管。電力二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一個(gè)PN結(jié),加正向電壓導(dǎo)通,加反向電壓截止,是不可控的單向?qū)ㄆ骷k娏ΧO骨與普通二極管的結(jié)構(gòu)、工作原理和伏安特性相似,但它們的主要參數(shù)和選擇原則不盡相同。電力二極管的圖形符號(hào)如圖1-4所示,其中,A為陽(yáng)極,K為陰極,其伏安特性如圖1-4c所示,其主要參數(shù)有正向平均電流If、反向重復(fù)峰值電壓Urrm、反向不重復(fù)峰值電壓Ursm,和正向平均電壓Uf等。

? ? 2)、普通晶閘管(SCR):普通晶閘管是雙極型電流控制器件,其圖形符號(hào)如圖1-5a所示,其中,A為陽(yáng)極,K為陰極,G為門極,其伏安特性如圖1-5b所示。當(dāng)對(duì)晶閘管的陽(yáng)極和陰極兩端加正向電壓,同時(shí)在它的門極和陰極兩端也適當(dāng)加正向電壓時(shí),晶閘管導(dǎo)通。但導(dǎo)通后門極失去控制作用,不能用門極控制晶閘管關(guān)斷,所以它是半控型器件。它的主要參數(shù)有斷態(tài)重復(fù)峰值電壓Udrm、反向重復(fù)峰值電壓Urrm、通態(tài)平均電壓Ut(av)、通態(tài)平均電流It(av)、維持電流Ih、擎住電流Il和通態(tài)浪涌電流Itsm等。

? (2)、濾波電路 波電路通常由若干個(gè)電解電容并聯(lián)成一組,如圖1-3中的C1和C2。為了解決電容C1和C2的均壓?jiǎn)栴},在兩電容旁各并聯(lián)一個(gè)阻值相等的均壓電阻R1和R2。
? ?在圖1-3中,串聯(lián)在整流橋和濾波電容之間的限流電阻R8和短路開(kāi)關(guān)(虛線所畫(huà)開(kāi)關(guān))組成了限流電路。當(dāng)變頻器接人電源的瞬間,將有一個(gè)很大的沖擊電流經(jīng)整流橋流向?yàn)V波電容,整流橋可能因電流過(guò)大而在接人電源的瞬間受到損壞,限流電阻R8可以削弱該沖擊電流,起到保護(hù)整流橋的作用。在許多新的變頻器中R8已由晶閘管替代。
? (3)、直流中間電路由整流電路可以將電網(wǎng)的交流電源整流成直流電壓或直流電流,但這種電壓或電流含有電壓或電流紋波,會(huì)影響直流電壓或電流的質(zhì)量。為了減小這種電壓或電流的波動(dòng),需要加電容器或電感器作為直流中間環(huán)節(jié)。
? ?對(duì)電壓型變頻器來(lái)說(shuō),直流中間電路通過(guò)大容量的電容對(duì)輸出電流進(jìn)行濾波。
? ?對(duì)電流型變頻器來(lái)說(shuō),直流中間電路通過(guò)電感對(duì)輸出電流進(jìn)行濾波。
? (4)、逆變電路逆變電路是變頻器最主要的部分之一,它的功能是,在控制電路的控制下將直流中間電路輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為電壓、頻率均可調(diào)的交流電壓,實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速控制。變頻器中應(yīng)用最多的是三相橋式逆變電路,它是由電力晶體管(GTR)組成的三相橋式逆變電路,該電路主要是對(duì)開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行控制。目前,常用的開(kāi)關(guān)器件有門極關(guān)斷(GTO)晶閘管、電力晶體管(GTR或BJT )、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(P-MOSFET)以及絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等,在實(shí)際應(yīng)用時(shí)要查閱相關(guān)使用手冊(cè)。
? ? 1)、門極關(guān)斷(GTO)晶閘管的導(dǎo)通控制與晶閘管一樣,但是在它的門極加負(fù)電壓可使其關(guān)斷,具有自關(guān)斷能力,屬于全控型器件,其中,A人為陽(yáng)極,K為陰極,G為門極。它的外形與普通晶閘管一樣,其開(kāi)關(guān)特性示意圖請(qǐng)參考相關(guān)資料。
? ? 2)、電力晶體管通常又稱為雙極型晶體管,是一種大功率高反壓晶體管,屬于全控型器件。它的工作原理與普通中、小功率晶體管相似,但它主要工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài),不用于信號(hào)的放大,它所承受的電壓和電流數(shù)值大。GTR作為大功率開(kāi)關(guān)應(yīng)用最多的是GTR模塊,B為基極、C為集電極、E為發(fā)射極。主要參數(shù)有反向擊穿電壓U ceo ,最大工作電流I cm集電極最大耗散功率P cm、導(dǎo)通時(shí)間t on和關(guān)斷時(shí)間t off等。
? ? 3)、電力MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管(P-MOSFET)是單極型全控器件,屬于電壓控制。具有驅(qū)動(dòng)功率小、控制線路簡(jiǎn)單、工作頻率高的特點(diǎn)。
? ? 4)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)是復(fù)合型全控器件,具有輸人阻抗高、工作速度快、通態(tài)電壓低、阻斷電壓高、承受電流大等優(yōu)點(diǎn),是功率開(kāi)關(guān)電源和逆變器的理想電力半導(dǎo)體器件。IGBT模塊的外形、結(jié)構(gòu)和圖形符號(hào)如圖1-13所示.其中,G為柵極,C為集電極,E為發(fā)射極。IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷是由柵極電壓來(lái)控制的。當(dāng)柵極加正電壓時(shí),P-MOSFET內(nèi)形成溝道,IGBT導(dǎo)通;當(dāng)柵極加負(fù)電壓時(shí),P-MOSFET內(nèi)的溝道消失,EGBT關(guān)斷。IGBT的輸出特性可分為三個(gè)區(qū)域:正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。IGBT的主要參數(shù)有集電極-發(fā)射極擊穿電壓U ges、集電極額定最大直流I c、集電極-發(fā)射極間的飽和壓降U ce(sat)和開(kāi)關(guān)頻率f on等。
? ? 在中小容量的變頻器中多采用PWM開(kāi)關(guān)方式的逆變電路,換流器件為大功率晶體骨(GTR)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)或功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(P-MOSFET)。隨著門極關(guān)斷(GTO)晶閘管的容盆和可靠性的提高,在中大容量的變頻器中采用PWM開(kāi)關(guān)方式的GTO晶閘管逆變電路逐漸成為主流。
? ? 在圖1-3所示的電路中,由開(kāi)關(guān)管器件VT1~VT6構(gòu)成的電路稱為逆變橋,由VD7~VD12構(gòu)成續(xù)流電路。
? ? 續(xù)流電路的作用如下:
? ? ①為電動(dòng)機(jī)繞組的無(wú)功電流返回直流電路提供通路。
? ? ②當(dāng)頻率下降使同步轉(zhuǎn)速下降時(shí)。為電動(dòng)機(jī)的再生電能回饋至直流電路提供通路。
? ? ③為電路的寄生電感在逆變過(guò)程中釋放能量提供通路。
? ? (5)能耗制動(dòng)電路在變頻調(diào)速中,電動(dòng)機(jī)的降速和停機(jī)是通過(guò)減小變頻器的輸出頻率,從而降低電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)電動(dòng)機(jī)減速時(shí),在頻率剛減小的瞬間,電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速隨之降低,由于機(jī)械慣性,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速未變,使同步轉(zhuǎn)速低子電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速,電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài),負(fù)載機(jī)械和電動(dòng)機(jī)所具有的機(jī)械能蟹被回饋給電動(dòng)機(jī).并在電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速下降。
? ? 電動(dòng)機(jī)再生的電能經(jīng)過(guò)圖1-3中的續(xù)流二極管VD7~VD12全波整流后,反饋到直流電路。由于直流電路的電能無(wú)法回飲給電網(wǎng),在C1和C2上將產(chǎn)生短時(shí)間的電荷堆積,形成“泵生電壓”,使直流電壓升高。當(dāng)直流電壓過(guò)高時(shí),可能損壞換流器件。變頻器的檢測(cè)單元檢測(cè)到直流問(wèn)路電壓U8超過(guò)規(guī)定值時(shí),控制功率管VT8導(dǎo)通,接通能耗制動(dòng)電路,使直流回路通過(guò)RB電限釋放電能。

?2、變頻器控制電路
? 為變頻器的主電路提供通斷控制信號(hào)的電路稱為控制電路,其主要任務(wù)是完成對(duì)逆變器開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)控制和提供多種保護(hù)功能。控制電路的控制方式有模擬控制和數(shù)字控制兩種。目前已廣泛采用了以微處理器為核心的全數(shù)字控制技術(shù),主要靠軟件完成各種控制功能,以充分發(fā)揮微處理器計(jì)算能力強(qiáng)和軟件控制靈活性高的特點(diǎn),完成許多模擬控制方式難以實(shí)現(xiàn)的功能。控制電路主要由以下幾部分組成。
? (1)、運(yùn)算電路運(yùn)算電路的主要作用是將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令信號(hào)同檢測(cè)電路的電流、電壓信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算,決定變頻器的輸出頻率和電壓。
? (2)、信號(hào)檢測(cè)電路將變頻器和電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)反饋至微處理器,并由微處理器按事先確定的算法進(jìn)行處理后為各部分電路提供所需的控制或保護(hù)信號(hào)。
? (3)、驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路的作用是為變頻器中逆變電路的換流器件提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。當(dāng)逆變電路的換流器件為晶體管時(shí),稱為基極驅(qū)動(dòng)電路;當(dāng)逆變電路的換流器件為SCR,IGBT或GTO晶閘管時(shí),稱為門極驅(qū)動(dòng)電路。
? (4)、保護(hù)電路保護(hù)電路的主要作用是對(duì)檢測(cè)電路得到的各種信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理,以判斷變頻器本身或系統(tǒng)是否出現(xiàn)異常。當(dāng)檢測(cè)到異常時(shí),就進(jìn)行各種必要的處理,如使變頻器停止工作或抑制電壓、電流值等。
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