张艳宾讲变频 1.docx

1、张艳宾讲变频 1本讲座即将结集出版，到时候可以在书店买到哦。小孙学变频一变频器的主电路（一）张燕宾小孙是蓝天公司的电气工程师，多年来从事电子设备的维修工作。近几年来，各种设备里应用的变频器越来越多，小孙被安排来专门从事变频器的调试和维护。这一天，小孙从仓库里领出了一台变频器，打算配用到鼓风机上。按照规定，先通电测试一下。谁知一通电，就发现冒烟，立刻切断了电源。把盖打开后，发现有一个电阻很烫。小孙想，在开盖情况下再通电观察一次。这一回，电阻倒是不冒烟了，但不一会儿，变频器便因“欠压”而跳闸了。用万用表一量，那个电阻已经烧断了。经人介绍，小孙找到了一位退休老高工张老师。“你们那台变频器在仓库里存放

2、了多长时间？”听完了小孙的情况介绍后，张老师问。“大约一年多一点。”“我知道了。”张老师胸有成竹地说。“在分析电阻冒烟的原因之前，先要弄清楚变频器里整流滤波电路的特点。”“老师，我不大明白，变频器的中间为什么要加进一个直流电路呢？”图11交直交变频器框图“好吧，那我们就先从交直交变频器的基本结构讲起。”张老师拿了一张纸，不紧不慢地画出了交直交变频器的框图，如图11所示，然后说：“你瞧，电网的电压和频率是固定的。在我国，低压电网的电压和频率统一为380V、50Hz，是不能变的。要想得到电压和频率都能调节的电源，必须自己变出来，才便于控制。所谓变出来，当然不可能象变魔术那样凭空产生出来，而只能从另

3、一种能源变过来。这另一种能源，便是直流电。因此，交直交变频器的工作可分为两个基本过程：（1）交直变换过程就是先把不可调的电网的三相(或单相)交流电经整流桥整流成直流电。（2）直交变换过程就是反过来又把直流电 “逆变”成电压和频率都任意可调的三相交流电。 你方才说的那台变频器的问题，我的判断是出在交直变换里。我们就来讨论这部分电路吧”。1交直变换电路“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。“应该是形滤波。”小孙答。“可是，变频器里却不能用形滤波。”变频器不用形滤波“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

4、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12。然后说：图12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，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U，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

5、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（700800）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

6、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k，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13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13。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： RC1RC2如果两个电容器组的电容量有差异，假设： C1C2则两个电容器组上的电压分配必不相等： UC1UC2而两个电容器的充电电流分别是： IR

7、1；IR2很明显： IR1IR2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： UC1UC2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30 k，这就好算了。”只见小孙在纸上算了起来： P3W“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14整

8、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14，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，这有可能损坏整流管。图15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15。接着说：“瞧，低压整流

9、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。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。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，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，

10、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16限流电路里的电流 “我们通过具

11、体例子来说明。”张老师一边说，一边画出了图16。然后说： “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RL50，那么，即使电源电压等于振幅值ULM1.41380537V，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5000F，充电时间有多长呢？”小孙很快算了起来： TRLC505000250000s250ms0.25s“只有0.25s。”小孙抬起头来，说。“那是充电时间常数，充

12、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0.75 s到1.25 s之间，笼统一点说，是1 s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1 s，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

13、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： ID25A“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

14、很快地算了起来： ID222A“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17限流电阻的充电电流（a）RL80、CF1000F（b）RL40、CF1000F（c）RL40、CF2000F“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17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

15、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RL50，PR50W是不会有问题的。图18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

16、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18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

17、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19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？”小孙问。“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

18、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19。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？”小孙问。图110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0.33F的小电容，如图110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“

19、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111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？”小孙问。“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111。 “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

20、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

21、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

22、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。”小孙说。图112IGBT管的构成（a）晶体管（b）场效应管（c）IGBTIGBT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112。 “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

23、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？”小孙问。图113IGBT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

24、，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？”小孙问。 “是的。”张老师又找出了一张图，如图113。接着说：“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114IGBT管的粗测（a）GE接电池（

25、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114，一边演示起来。“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10k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。然后说：“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

26、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115，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0t1所示。图115单相

27、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t1t2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116。说：图116三相逆变桥（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（T3）

28、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T6内，令V1、V6、V5导通、第2个T6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？”小孙问。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117。图117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，电流是比电压滞后角的。0t1时间段内，

29、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t1t2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

30、一点，”张老师又拿出了一张图，如图118。图118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。”张老师笑嘻嘻地说。 “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。”“原来是这样。”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。”