三菱變頻器的結(jié)構(gòu)及控制電路概述
2021-03-25
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)、計算機(jī)技術(shù)和自動控制技術(shù)等的不斷發(fā)展而發(fā)展，其應(yīng)用越來越普及。
一、變頻器的結(jié)構(gòu)
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、檢測電路、控制信號的輸人/輸出電路和驅(qū)動電路組成。
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。
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䴓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如圖1-4所示，其中，A為陽極，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，其圖形符號如圖1-5a所示，其中，A為陽極，K為陰極，G為門極，其伏安特性如圖1-5b所示。當(dāng)對晶閘管的陽極和陰極兩端加正向電壓，同時在它的門極和陰極兩端也適當(dāng)加正向電壓時，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的均壓問題，在兩電容旁各并聯(lián)一個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和短路開關(guān)(虛線所畫開關(guān))組成了限流電路。當(dāng)變頻器接人電源的瞬間，將有一個很大的沖擊電流經(jīng)整流橋流向濾波電容，整流橋可能因電流過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，需要加電容器或電感器作為直流中間環(huán)節(jié)。
對電壓型變頻器來說，直流中間電路通過大容量的電容對輸出電流進(jìn)行濾波。
對電流型變頻器來說，直流中間電路通過電感對輸出電流進(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，實現(xiàn)對異步電動機(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，該電路主要是對開關(guān)器件進(jìn)行控制。目前，常用的開關(guān)器件有門極關(guān)斷(GTO)晶閘管、電力晶體管(GTR或BJT )、功率場效應(yīng)晶體管(P-MOSFET)以及絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等，在實際應(yīng)用時要查閱相關(guān)使用手冊。
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人為陽極，K為陰極，G為門極。它的外形與普通晶閘管一樣，其開關(guān)特性示意圖請參考相關(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，但它主要工作在開關(guān)狀態(tài)，不用于信號的放大，它所承受的電壓和電流數(shù)值大。GTR作為大功率開關(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)通時間t on和關(guān)斷時間t off等。
3)、電力MOS場效應(yīng)晶體管(P-MOSFET)是單極型全控器件，屬于電壓控制。具有驅(qū)動功率小、控制線路簡單、工作頻率高的特點。
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，是功率開關(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)斷是由柵極電壓來控制的。當(dāng)柵極加正電壓時，P-MOSFET內(nèi)形成溝道，IGBT導(dǎo)通;當(dāng)柵極加負(fù)電壓時,P-MOSFET內(nèi)的溝道消失，EGBT關(guān)斷。IGBT的輸出特性可分為三個區(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)和開關(guān)頻率f on等。
在中小容量的變頻器中多采用PWM開關(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為電動機(jī)繞組的無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。為電動機(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程中釋放能量提供通路。
(5)能耗制動電路在變頻調(diào)速中，電動機(jī)的降速和停機(jī)是通過減小變頻器的輸出頻率，從而降低電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速的方法來實現(xiàn)的。當(dāng)電動機(jī)減速時，在頻率剛減小的瞬間，電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速隨之降低，由于機(jī)械慣性，電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速未變，使同步轉(zhuǎn)速低子電動機(jī)的實際轉(zhuǎn)速，電動機(jī)處于發(fā)電制動運(yùn)行狀態(tài)，負(fù)載機(jī)械和電動機(jī)所具有的機(jī)械能蟹被回饋給電動機(jī).并在電動機(jī)中產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速下降。
電動機(jī)再生的電能經(jīng)過圖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法回飲給電網(wǎng)，在C1和C2上將產(chǎn)生短時間的電荷堆積，形成“泵生電壓”，使直流電壓升高。當(dāng)直流電壓過高時，可能損壞換流器件。變頻器的檢測單元檢測到直流問路電壓U8超過規(guī)定值時，控制功率管VT8導(dǎo)通，接通能耗制動電路，使直流回路通過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的電路稱為控制電路，其主要任務(wù)是完成對逆變器開關(guān)器件的開關(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)揮微處理器計算能力強(qiáng)和軟件控制靈活性高的特點，完成許多模擬控制方式難以實現(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)矩等指令信號同檢測電路的電流、電壓信號進(jìn)行比較運(yùn)算，決定變頻器的輸出頻率和電壓。
(2)、信號檢測電路將變頻器和電動機(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。
(3)、驅(qū)動電路驅(qū)動電路的作用是為變頻器中逆變電路的換流器件提供驅(qū)動信號。當(dāng)逆變電路的換流器件為晶體管時，稱為基極驅(qū)動電路;當(dāng)逆變電路的換流器件為SCR,IGBT或GTO晶閘管時，稱為門極驅(qū)動電路。
(4)、保護(hù)電路保護(hù)電路的主要作用是對檢測電路得到的各種信號進(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)檢測到異常時，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。
