变频器内部主电路分析

随着电力电子器件的发展和我国节能减排要求的提高，变频器控制得到了大量的应用。由于安装使用量越来越大，在其优势突显的同时，不可避免地故障维修量也同时加大了。

变频器内部包含着非常大量的电子元器件，每一个电子元器件都起着至关重要的作用。

这些元器件包括：电阻、电容、电感、二极管、三极管、场效应管、IGBT等。连接起这些器件的重要原件就是IC芯片，变频器内有着大量的运算放大器。使用范围包括CPU、驱动电路等均需要IC芯片。

按功能分，分为主电路，辅助开关电源，控制板以及驱动板。示意图如下所示：

图3 变频器内部组成电路原理图

根据上图所示分为四大块区域：

（1）主回路

主电路装置由以下顺序进行：RST进线（进线上安装不带有漏电保护装置的空气开关、熔断器等过电保护装置，部分安装压敏电阻进行过电压保护）；整流桥（由6个二极管组成，将交流电变为直流电）；充电电阻（启动时限流作用。并联接触器，到达一定电压后吸合线圈）；吸收电容（滤波作用，在充点电阻和电解电容两边各有一个）；保险管（过电流保护功能）；电解电容（充电电容，与前面原件串联，两两电容间并联均压电阻）；温度检测电路（主要原件为热敏电阻NTC）；IGBT（由6或7个IGBT组成变频器最重要的部分，通过改变开关的通断时间和频率改变电压），UVW出线（连接霍尔原件/互感器）。

（2）辅助开关电源

这部分为驱动板和控制板提供+22V、+24V（控制端子、电风扇、继电器用电）、+5V（CPU用电）、+15V（互感器、模拟芯片用电）、-15V（互感器、模拟芯片用电）等多种电压，通过多种电压进行各类信号的触发。辅助开关电源取自主电路PN两点电压。具体如下：

a、主回路：P→电压器→一次侧→开关管→限流电阻→N

b、振荡回路：启动电阻→变压器二次侧→整流管→IC芯片Vcc管脚

c、限流保护电路：限流电阻→IC芯片Ifb管脚（反馈电流）

d、输出电路：整流→滤波→负载

e、稳压回路：输出端采集→稳压管→光耦→IC芯片Ufb管脚（电压反馈）

（3）控制板

控制板包括大量端子及光耦、CPU、继电器等。对主回路上IGBT的通断等进行控制。其供电来自于辅助开关电源，信号经由驱动板改变为电信号，供给IGBT进行通断。

（4）驱动板

驱动电路决定何时通何种电。驱动电路一般分为四个，N1—N4，其中N1—N3为上三个的IGBT分别供电，N4为下三个IGBT集中供电。常见的驱动器芯片有TLP250、HCPL3120、J312、HCNW3120。

采用“交-直-交”结构的低压变频器，其内部主电路由整流和逆变两大部分组成，如图1所示。从R、S、T端输入的三相交流电，经三相整流桥（由二极管D1～D6构成）整流成直流电，电压为UD。电容器C1和C2是滤波电容器。6个IGBT管（绝缘栅双极性晶体管）V1～V6构成三相逆变桥，把直流电逆变成频率和电压任意可调的三相交流电。

上图中，滤波电容器C1和C2两端各并联了一个电阻，是为了使两只电容器上的电压基本相等，防止电容器在工作中损坏（目前，由于技术的进步，低压（380V）变频器的电解电容大多数可以不需要串联使用了）。

在整流桥和滤波电容器之间接有一个电阻R和一对接触器触点KM，其缘由是：

1、变频器刚接通电源时，滤波电容器上的电压为0V，而电源电压为380V时的整流电压峰值是537V，这样在接通电源的瞬间将有很大的充电冲击电流，有可能损坏整流二极管；

2、端电压为0的滤波电容器会使整流电压瞬间降低至0V，形成对电源网络的干扰。为了解决上述问题，在整流桥和滤波电容器之间接入一个限流电阻R，可将滤波电容器的充电电流限制在一个允许范围内。

但是，如果限流电阻R始终接在电路内，其电压降将影响变频器的输出电压，也会降低变频器的电能转换效率，因此，滤波电容器充电完毕后，由接触器KM将限流电阻R短接，使之退出运行。

各种变频器主电路的对外连接端子大致相同，如下图所示。其中，R、S、T是变频器的电源端子，接至交流三相电源；U、V、W为变频器的输出端子，接至电动机；P+是整流桥输出的+端，出厂时P+端与P端之间用一块截面积足够大的铜片短接，当需要接入直流电抗器DL时，拆去铜片，将DL接在P+和P之间；P、N是滤波后直流电路的+、-端子，可以连接制动单元和制动电阻；PE是接地端子。

电动机在制动（发电）状态时，变频器从电动机吸收的能量都会保存在变频器直流环节的电解电容中，并导致变频器中的直流母线电压升高。如果变频器配备制动单元和制动电阻（这两种元件属于选配件），变频器就可以通过短时间接通电阻，使再生电能以热方式消耗掉，称做能耗制动。

当然，采取再生能量回馈方案也可解决变频调速系统的再生能量问题，并可达到节约能源的目的。而标准通用PWM变频器没有设计使再生能量反馈到三相电源的功能。

       1、如果将多台变频器的直流环节通过共用直流母线互连，则一台或多台电动机产生的再生能量就可以被其他电动机以电动的方式消耗吸收。

2、或者，在直流母线上设置一组一定容量的制动单元和制动电阻，用以吸收不能被电动状态电动机吸收的再生能量。若共用直流母线与能量回馈单元组合，就可以将直流母线上的多余能量直接反馈到电网中来，从而提高系统的节能效果。