张艳宾讲变频 1Word格式文档下载.docx
《张艳宾讲变频 1Word格式文档下载.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《张艳宾讲变频 1Word格式文档下载.docx(16页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
“所谓交-直变换电路就是是整流和滤波。
在低压电路里,哪种滤波方式效果最好?
”老张又问。
“应该是π形滤波。
”小孙答。
“可是,变频器里却不能用π形滤波。
变频器不用π形滤波
“为什么呢?
”小孙真还没有想到过这样的问题,不觉来了精神。
“其实,你只要比较一下这两种整流滤波电路的区别就明白了。
”张老师说着,随手就画出了两个整流滤波电路,如图1-2。
然后说:
图1-2 整流和滤波电路
(a)低压整流滤波电路 (b)变频器整流滤波电路
“瞧,π形滤波在电路里要串联一个电感L或电阻R的。
不管串联什么,它总要产生一个电压降ΔU,使后面的电压UD2比前面的电压UD1小一点。
这在低压电路里是没有关系的,如果觉得UD2太小了,你可以在设计变压器时适当提高一点副方电压就可以了。
“啊,我知道了。
”小孙如梦初醒:
“变频器前面没有变压器,不可能提高电压。
可是,稍为有一点电压降不行吗?
“不行!
”张老师斩钉截铁地说。
“因为变频器要求后面逆变出来的三相交流电,在50Hz时的电压能够和前面的电源电压一般大。
要是直流电压减小了的话,逆变出来的三相交流电压,在50Hz时就达不到380V了。
那人家就会说,你这个变频器不行,电压不够。
所以,变频器里只能用电容器滤波。
“好象是用两组电容器串联起来的,为什么呢?
”小孙来了兴趣,努力思索着要主动地问一些问题。
“那是生产水平的问题。
迄今为止,全世界生产的电解电容器的最高耐压,只有500V,而380V全波整流后的峰值电压是537V。
按照国家规定,电源电压的允许上限误差是+10%,即418V,全波整流后的峰值电压是591V。
此外,变频器在运行过程中允许的最高直流电压可达(700~800)V,而在逆变的过渡过程中,瞬间的直流电压甚至可能高达1000V呢。
所以,只能用两组电容器串联来解决。
”张老师回答说。
“还有,我曾打开变频器看过。
每个电容器旁边,都并联一个电阻,好象叫均压电阻。
可它们的电阻值很大,约为几十kΩ,而瓦数却不大,好象只有10W左右,它们能起到均压作用吗?
”小孙显露出一副疑惑的神情。
均压电阻的学问
图1-3 滤波电容的均压电路
“那就让我们来看看吧。
”张老师随手又画了一个图,如图1-3。
接着说:
“图中,电容器C1的充电回路由C1和RC2构成;
C2的充电回路由C2和RC1构成。
RC1和RC2的电阻值是相等的:
RC1=RC2
如果两个电容器组的电容量有差异,假设:
C1<C2
则两个电容器组上的电压分配必不相等:
UC1>UC2
而两个电容器的充电电流分别是:
IR1=
;
IR2=
很明显:
IR1>IR2
这样,电容器C2上要多充一些电,UC2就得到了提高。
结果是UC1和UC2趋向于均衡:
UC1≈UC2
当然,要绝对均衡是不可能的。
至于瓦数么,你自己算一算看。
小孙立即拿起笔来,刚要下笔,却又难住了,问:
“电压值按多大算呢?
“每个电容器上的平均电压可以按300V算。
“电阻么,好象是30kΩ,这就好算了。
”只见小孙在纸上算了起来:
P=
=
=3W
“哟,还绰绰有余呢。
”小孙说,“我以前总喜欢估计一个大概数据,很少具体计算。
看起来,以后还是要算一算的好。
还有一个问题,那个冒烟的电阻是在整流桥和滤波电容之间的,这在低压整流电路里是没有的。
它起什么作用呢?
限流电阻的作用
图1-4 整流电路的合闸
“就整流和滤波的基本过程而言,低压和高压是相同的。
”张老师又画了个整流滤波电路,如图1-4,接着说:
“问题的关键,是合上电源前,电容器上是没有电荷的,电压为0V,而电容器两端的电压又是不能突变的。
就是说,在合闸瞬间,整流桥两端(P、N之间)相当于短路。
因此,在合上电源时,就出现了两个问题:
第一个问题,是有很大的冲击电流,如图中的曲线①,这有可能损坏整流管。
图1-5 高、低压整流电路的区别
(a)低压整流电路 (b)高压整流电路 (c)限流电路
第二个问题,是进线处的电压将瞬间下降到0V,如图中之曲线②所示。
这两个特点,高、低压整流电路完全一样。
”张老师又画了起来,如图1-5。
“瞧,低压整流电路是要通过变压器来降压的。
变压器的绕组是一个大电感,它犹如一个屏障,能对合闸时的冲击电流起到限制作用,如图(a)中的曲线①。
而变频器的整流电路中,就没有这样的屏障,冲击电流就要严重得多,如图(b)中之曲线①所示。
至于进线侧的电压波形,其实,在低压整流电路中,变压器的副方电压,也同样要瞬间降到0V的,如图(a)中之曲线②。
但反映到变压器的原方,这样的瞬间降压,就被缓冲了,如图(a)中之曲线③,对同一网络中的其他设备不构成干扰。
变频器整流电路中没有这样的缓冲,它进线电压就是电网电压。
所以,在合闸瞬间,电网电压要降到0V,这将影响同一网络中其他设备的正常工作,通常称之为干扰。
所以,在整流桥和滤波电容之间,就需要接入一个限流电阻RL。
至于它的原理,你该是明白的吧?
“我来试试看吧,”小孙鼓足了勇气,说:
“接入了限流电阻后,非但减小了通电时的冲击电流。
并且,瞬间的电压降,也都降到限流电阻上了,电源侧的电压波形也解决了,真是一举两得啊。
等到电容器上的电压上升到一定程度时,再把限流电阻短路掉,对吧?
可是……”张老师正想夸赞小孙几句,没想到他又来了个“可是”,于是他耐性地等着小孙的下文。
“我曾经查看过几台变频器,发现短路器件(晶闸管或接触器)的大小是随变频器的容量而变的,但限流电阻的阻值和容量却差别不大,这是怎么回事呢?
“说得好,也问得好。
”张老师高兴地夸赞了小孙几句。
图1-6 限流电路里的电流
“我们通过具体例子来说明。
”张老师一边说,一边画出了图1-6。
“我们分开来说吧。
先看限流电阻RL。
严格地说,容量大的变频器里,整流管的允许电流也较大。
滤波电容的容量也要大一些,限流电阻的阻值应该小一些,而容量(瓦数)应该大一些。
但是,让我们举一个例子来看一下。
假设所选用限流电阻的阻值RL=50Ω,那么,即使电源电压等于振幅值ULM=1.41×
380=537V,最大的冲击电流是多大呢?
“只有10A多一点。
”小孙说。
“还有,假设滤波电容的电容量是5000μF,充电时间有多长呢?
小孙很快算了起来:
T=RLC=50×
5000=250000μs=250ms=0.25s
“只有0.25s。
”小孙抬起头来,说。
“那是充电时间常数,充电时间应该是它的3倍到5倍。
”张老师更正说。
“就是说,充电时间大约是0.75s到1.25s之间,笼统一点说,是1s左右吧。
这样的充电电流,和这样的充电时间,对于大多数规格的变频器来说,都是可以接受的吧?
所以,生产厂家为了减少另部件的种类,采取了多种规格的变频器选用同一规格限流电阻的做法。
至于电阻的容量(瓦数),因为RL中通电流的时间很短,只有1s,真正达到10A的时间更短。
所以,一般说来,容量只要不小于20W就可以了。
再看旁路接触器KM。
还是用具体例子来说明吧。
假设电动机容量是7.5kW,15.4A。
配用变频器的容量是13kVA,18A。
一般说来,直流回路的容量和变频器的输入容量应该是相等的,当电源电压是380V时,直流电压的平均值是513V,那么,直流电流应该有多大呢?
”张老师看着小孙,问。
小孙会意,马上在纸上算了起来:
ID=
=25A
“那就只有选标称值为30A的接触器了。
”小孙不假思索说。
“要动动脑筋么。
你想,这里用接触器的几个触点呀?
“啊,”小孙拍着自己的脑袋说,“接触器的三个触点是可以并联起来用的,那就只要10A的接触器就可以了。
张老师微笑着点了点头,又补充说:
“不过,要是用晶闸管的话,还是要用30A的。
”张老师略顿了顿,接着又问:
“那么,要是电动机容量是75kW,139.7A。
配用变频器的容量是114kVA,150A。
该配用多大的接触器呢?
这回小孙心里有底了,他很快地算了起来:
=222A
“应该选额定电流为80A的接触器。
”小孙肯定地说。
“所以,你刚才提的问题不就解决了吗。
”张老师笑嘻嘻地说。
“可是,限流电阻为什么会冒烟,并且烧断呢?
”小孙问。
“就我所接触到的情况而言,烧断限流电阻的原因可能有三种。
”张老师说。
图1-7 限流电阻的充电电流
(a)RL=80Ω、CF=1000μF (b)RL=40Ω、CF=1000μF
(c)RL=40Ω、CF=2000μF
“第一种可能,是限流电阻的容量选小了。
因为在限流电阻中通入的电流是按指数规律衰减的,且持续时间很短,如图1-7所示。
所以,其容量可以选得小一些。
为了降低元器件成本,有的变频器生产厂家在决定限流电阻的容量时,常常取较小值。
但实际上,流经限流电阻的电流IR是和限流电阻的阻值RL以及滤波电容器的电容量CF有关的。
比较图(a)和图(b)知,RL大:
则电流的初始值较小,但电流的持续时间长。
比较图(b)和图(c)知:
CF大,电流的持续时间将延长。
所以,严格地说,RL的容量大小也应该根据具体情况适当调整。
但如前所说,用户对滤波电容器的充电过程并无严格的要求。
所以,对RL的阻值和容量也并无明确的规定。
一般说来,如选RL≥50Ω,PR≥50W是不会有问题的。
图1-8 长期存放电容
器的复原
第二种可能,是滤波电容器变质了。
凡是有电解质的器件,都有一个特点:
你一直用它,它不容易坏。
你总也不用它,它倒要坏了。
你那台变频器在仓库里存放了一年多才拿出来,你应该先打开盖观察一下滤波电容器,看它是否‘鼓包’?
甚至是否有电解液漏出?
电解电容器变质的特征,首先是漏电流增大。
一台长时间不用的变频器,突然加上高电压,电解电容器的漏电流可能是相当大的。
你第一次合上电源时,变频器内冒烟,很可能就是电解电容器严重漏电,甚至已经短路。
而直流电压难以充电到450V以上,短路器件不动作,限流电阻长时间接在电路里,它当然要冒烟、烧断了。
“那……,变频器在仓库里时间放长了,就报废了?
”小孙感到疑惑。
“当然不是。
长时间不用的电解电容器,通电时,应该先加约50%的额定电压,加压时间应在半小时以上,如图1-8所示。
它的漏电流就会降下去,也就可以正常使用了。
所以,你回去以后,先用万用表测量一下电容器是否短路。
如并未短路,外观上也没有异常,则如图那样,通电半小时以后,电容器将可以恢复。
“太好了!
”小孙高兴地说。
接着又问:
“您说,电阻冒烟还有另一种可能性?
”小孙接着问。
图1-9 旁路器件的动作检查
(a)原理图 (b)外部接线图
“第三种可能,就是旁路接触器KM或晶闸管没有动作。
结果,使限流电阻长时间接在电路里。
“那……,怎么来判断旁路接触器或晶闸管是否动作了呢?
“旁路器件应该在滤波电容器已经充电到一定程度(例如,电压已经超过450V)时动作。
因此,你可以在确认滤波电容器完好的情况下,通电时,观察当直流电压UD上升到足够大时,旁路器件是否动作?
具体方法之一,是在限流电阻两端并联一个电压表PV1,同时在滤波电容两端也接一个电压表PV2,再将两个串联的灯泡也接到滤波电容的两端,作为负载,如图1-9。
通电后,如果PV2显示UD已经足够大,但PV1的读数并不为0V,就说明旁路器件并未动作。
“为什么要接两个灯泡呢?
图1-10 抗干扰电容
“那是为直流电路接一点负载。
要是没有负载的话,限流电阻内将没有电流,即使短路器件未动作,限流电阻上也量不出电压呀。
“还有一个问题,”小孙拿了一张纸,画了起来,然后问:
“我发现在滤波电容器两端,还并联了一个0.33μF的小电容,如图1-10中和C0所示,那是为什么?
因为电解电容具有一定的电感性质,它不能吸收时间很短的干扰电压,容易导致“过电压跳闸”的误动作。
电容器C0就是用来吸收干扰电压的。
主控板上的电源指示灯
图1-11 直流指示
“还有,我发现在主控板上有一个电源指示灯,为什么把它放在机箱里面,而不放在控制面板上呢?
“那么,你每次开机时,怎么知道变频器是否通电?
”张老师反问。
“我是看变频器的显示屏上是否有显示。
“是啊,显示屏已经显示了通电与否,要是再把里面这个指示灯也放到面板上,岂非叠床架屋了?
”张老师说着,随手又画了个图1-11。
“其实,里面的这个指示灯,主要不是显示变频器是否通电,而是显示变频器断电后,滤波电容器上的电荷有没有放完,它是为你的人身安全而设置的。
就是说,当变频器发生了故障,你打开机箱,想要看看里面的另、部件是否发生问题时,虽然变频器已经断了电,但如果滤波电容器上的电荷没有放完的话,将是很危险的。
所以,千万注意,一定要在指示灯完全熄灭后,才能用手去触摸里面的元、器件。
小孙觉得,张老师的讲解深入浅出,使自己对问题的理解变得清晰起来。
于是,他大着胆子说:
“老师,我能不能交点学费,拜您为师,系统地学一学变频器的知识?
“你不已经叫我老师了么?
学费是断不能收的。
其实,我也是有收获的。
我年纪大了,已经不再有到现场处理问题的机会了。
你给我带来了现场的工况,我也是有提高的。
你想系统地学,当然很好,但要坚持学下去,可也不容易呢。
我反正是退休老头一个,整天赋闲在家,你什么时候想来,只要事先通个电话,我在家恭候就是了。
”张老师的话,使小孙感到暖暖地。
只见张老师呷了一口茶,说道:
“既然你想系统地学,那接下来就该讨论逆变电路了,你回去先预习一下吧。
―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
小 孙 的 笔 记
变频器因为输入侧直接接电网,所以,它的整流滤波电路就有了许多不同于低压电路的特点。
1.它的滤波电路不允许有电压降,所以不能用π形滤波。
2.滤波电路由两组电容器串联而成,为了使两组电容器的电压分配均衡,必须在电容器旁并联均压电阻。
3.在整流桥和滤波电容器之间,设置了限流电路,以限制刚合上电源时的冲击电流。
4.变频器内部控制板上的指示灯,主要是在停电时,显示滤波电容器上的电荷是否释放完毕而设置的,目的是保护人身安全。
2.逆变电路
过了一个星期,小孙又到张老师家去了。
“逆变电路预习过了?
有问题吗?
”张老师和蔼地问。
“大体的轮廓,好象知道了。
但要深究起来,却还是感到模模糊糊地。
首先,对逆变用的IGBT管就不大熟悉。
图1-12 IGBT管的构成
(a)晶体管 (b)场效应管 (c)IGBT
IGBT管的特点
“那我们就先从IGBT管说起吧。
”这一次,张老师已经事先画好了许多的图,随手拿出了一张,如图1-12。
“IGBT管也叫绝缘栅晶体管,它是晶体管和绝缘栅场效应管的组合。
图(a)是三极晶体管,它的三个极分别是:
集电极C、发射极E和基极B。
它的特点是集电极电流IC的大小取决于基极电流IB,故称为电流控制器件。
图(b)是绝缘栅场效应管,它的三个极分别是:
漏极D、源极S和栅极G。
栅极和源极之间是绝缘的。
它的工作特点是漏极电流ID的大小取决于栅极和源极之间的电压uGS,故称为电压控制器件。
再看图(c)所示的IGBT管,它的主体部分和晶体管相同,也是集电极C和发射极E;
控制部分却是绝缘栅结构,通常称为控制极G。
集电极电流IC的大小取决于控制极与发射极之间的电压uGE。
所以,也是电压控制器件。
“和大功率晶体管GTR相比,IGBT管主要有哪些优点呢?
图1-13 IGBT管的工作状态
(a)饱和导通状态 (b)截止状态
“首先,IGBT管允许的开关频率比GTR高一个数量级。
GTR的最高开关频率只有2kHz,而IGBT可达20kHz。
其次,很明显的是,它的控制极的功耗要比GTR的基极功耗小得多。
这是主要的,其他也还有一些优点,就不详细说了。
“这IBGT管是作为开关用的吧?
“是的。
”张老师又找出了一张图,如图1-13。
“IGBT管和其他三极管一样,也有三种状态:
截止状态、放大状态和饱和导通状态。
而我们只用它的截止状态和饱和导通状态:
图(a)所示,是饱和导通状态,犹如开关处于闭合状态;
图(b)所示,是截止状态,犹如开关处于断开状态。
“我用万用表量了一下,怎么觉得它有点象晶闸管呢?
”小孙说完,从皮包里拿出了IGBT管模块、万用表、电池等器件,看样子,他是有备而来的。
图1-14 IGBT管的粗测
(a)GE接电池 (b)拿掉电池 (c)接入电阻
“哦?
你是怎么量的?
”张老师颇感兴趣地问。
“您瞧,”小孙一边画了个图1-14,一边演示起来。
“当电池的‘+’端接G极,‘-’端接E极,如图(a)所示时,IGBT管是导通的。
可是,我把电池拿掉后,IGBT管仍然是通的,如图(b)所示。
这不和晶闸管差不多么?
“你给我拿一个电阻来,阻值不限。
”张老师伸出手说。
小孙从包里找出一个10kΩ的电阻递给了老张,只见老张把那个电阻往G、E间一接,万用表的显示立刻就指向“∞”了。
“因为IGBT管的G、E间是绝缘的,所以,你方才把电池拿掉时,G极上的‘+’电荷不能释放,所以,IGBT管保持着导通的状态。
在G、E间接入了一个电阻后,G极上的‘+’电荷很快释放掉了,你所谓的晶闸管现象也就不存在了。
“原来是这样。
”小孙高兴地说,接着又问:
“它是怎样把直流电逆变成交流电的呢?
直流电怎样变成交流电?
“先从简单一点的单相逆变桥说起吧,”张老师又找出了一张图,如图1-15,然后说:
“用4个IGBT管组成一个桥形电路,ZL是负载,如图(a)所示。
首先让V1、V2导通,V3、V4截止。
这时候的电流如红色箭头所示:
从电源正极P(+)出发,经V1后流经负载ZL,又经V3流向电源负极N(-)。
注意:
当它流经负载时,是从a端流向b端的。
我们把这种情况下的电压作为uab的正方向,即uab为‘+’,幅值等于直流电压UD,其电压波形如图(b)中时间段0~t1所示。
图1-15 单相逆变桥
(a)V1、X2导通 (b)V3、V4导通
然后,又让V3、V4导通,V1、V2截止。
这时候的电流如蓝色箭头所示:
从P(+)出发,经V3后流经负载ZL,又经V4流向N(-)。
当它流经负载时,是从b端流向a端的。
所以,uab为‘-’,幅值也等于直流电压UD,电压波形如图(b)中时间段t1~t2所示。
让V1、V2为一组,V3、V4为另一组,并让它们不断地交替导通和截止,则负载中流过的,便是交变电流了。
“啊,我明白了。
”小孙从老张的图纸里找出了一张如图1-16。
说:
图1-16 三相逆变桥
(a)电路结构 (b)各管的导通规律
“这6个IGBT管就组成了三相逆变桥,如图(a)所示,只要各相之间互差三分之一周期(T/3)就可以了,如图(b)。
可是,怎么实施呢?
“找出规律呀。
”张老师指着图上说:
“在第1个T/6内,令V1、V6、V5导通、第2个T/6内,令V1、V6、V2导通、……,以此类推就可以了。
“在实际的逆变模块中,为什么每个IGBT管旁边,都要反并联一个二极管呢?
为什么要反并联二极管?
“要说清楚这个问题,需要先复习一下电工基础的知识。
”张老师说着,又从预备好的图纸中找出了一张电阻、电感电路图,如图1-17。
图1-17 电阻、电感电路
(a)R、L电路 (b)电压电流曲线
“图(a)是一个R、L电路,图(b)是电路内电压与电流的瞬时值曲线。
我们知道,在R、L电路内,电流是比电压滞后φ角的。
0~t1时间段内,电压为‘+’,而电流为‘-’(图(b)中的A区),说明电流和电压是反方向的,如图(a)中的蓝色箭头所示。
这时候的电流,是自感电动势克服电源电压的结果,是磁场在作功。
而在t1~t2时间段内,电压和电流都为‘+’(图(b)中的B区),说明电流和电压是同方向的,如图(a)中的红色箭头所示。
这时候的电流,是电源电压克服自感电动势的结果,是电源在作功。
就是说,R、L电路在工作过程中,存在着电源和磁场之间不断地交换能量的过程。
当然,因为不是纯电感电路,所以,总的来说,B区比A区大一些,电源所作的功要多一些。
“您是说,电动机在工作时,也要和电源交换能量?
”小孙似有所悟。
“因为电动机的定子绕组也是一个R、L电路呀。
让我们看仔细一点,”张老师又拿出了一张图,如图1-18。
图1-18 变频器的输出电路
“和直流电源交换能量?
”尽管小孙已经肯定了这个谜底,但一想起直流电源的电压是不变的,总觉得有点难以理解。
“说得更明确一点,是和直流电路里的滤波电容之间进行充、放电啊。
“您是说,电动机的定子绕组也要对滤波电容充、放电?
”小孙已经有点明白了,但因为总也没有这样思考过,总觉得不大有把握似地。
“为什么不呢?
不过在这里,要事先说明一下,变频器的输出电压里,是有一些谐波分量的,我们这里,只看它的基波分量。
当电流与电压反方向(如图中的A区所示)时,实际上是电动机的反电动势在向滤波电容充电。
但是,IGBT管是只能单方向导电的,所以,必须要为充电电流提供一条路径,这就是反向二极管的作用。
充电电流的路径如图中的蓝色箭头所示。
当电流和电压同方向(如图中的B区所示)时,则是滤波电容通过IGBT管向电动机绕组放电的过程,放电电流的路径如图中的红色箭头所示。
”小孙赶紧在笔记本上记录了起来。
等小孙记录完毕,张老师说:
“对于变频器主电路结构的讨论,恐怕可以告一段落了。
接下来要讨论的是主电路里的运行数据了,如输出电压和电流、输入电流等等,你先回去预习吧。
―――――――