變頻器的主要電路及外接器件的選擇

1 變頻器的主電路

　　問題1 一般情況下，變頻器的內(nèi)部主電路是怎樣構(gòu)成的？

　　1）基本結(jié)構(gòu)低壓中、小容量的變頻器都采用“交原直原交”變換方式，其基本電路由整流和逆變兩大部分組成，如圖1 所示。

　　問題2 在電路中和濾波電容器并聯(lián)的電阻起什么作用？

　　迄今為止，電解電容器的耐壓只能做到500 V。而三相380 V的電源電壓經(jīng)全波整流后，直流電壓的峰值為537 V，平均值也有513 V。因此，濾波電容器只能由兩個(gè)（或兩組）電解電容器串聯(lián)而成。為了增大電容量，改善濾波效果，變頻器內(nèi)總是先將若干個(gè)電解電容器并聯(lián)成一組，然后再將兩組電容器（CF1 和CF2）串聯(lián)起來(lái)，電路如圖2所示。

　　由于每個(gè)電容器的電容量不可能絕對(duì)相同，尤其是電解電容器，其電容量的離散性較大，若干個(gè)并聯(lián)以后，兩組電容器的電容量之間的差異是比較明顯的。串聯(lián)以后，兩個(gè)電容器組上的電壓分配將是不均衡的。這將導(dǎo)致兩組電容器使用壽命的不一致。

　　解決電壓不均衡的方法，便是在兩個(gè)電容器組的兩端分別并聯(lián)電阻值相等的均壓電阻RC1 和RC2，如圖2所示。其原理如下。

　　由于電阻的阻值容易做得比較準(zhǔn)確，從而保證了均壓的效果。

　　問題3 在整流橋和電容器之間為什么要接電阻和開關(guān)器件的并聯(lián)電路？

　　就整流和濾波的基本過(guò)程而言，低壓和高壓是相同的。

　　問題的關(guān)鍵是，合上電源前，電容器上是沒有電荷的，電壓為0 V，而電容器兩端的電壓又是不能突變的。就是說(shuō)，在合閘瞬間，整流橋兩端（P、N之間）相當(dāng)于短路。因此，在合上電源時(shí)，就出現(xiàn)了兩個(gè)問題：

　　第一個(gè)問題是，有很大的沖擊電流，如圖3中的曲線淤，這有可能損壞整流管。

　　第二個(gè)問題是，進(jìn)線處的電壓在瞬間會(huì)下降到0 V，如圖3中的曲線于所示。

　　這兩個(gè)特點(diǎn)，在高、低壓整流電路中完全一樣。但低壓整流電路是要通過(guò)變壓器來(lái)降壓的。變壓器的繞組是一個(gè)大電感，它猶如一個(gè)屏障，能對(duì)合閘時(shí)的沖擊電流起到限制作用，如圖3 中的曲線淤。而在變頻器的整流電路中，就沒有這樣的屏障，故沖擊電流就要嚴(yán)重得多，如圖3 中的曲線榆所示。

　　至于進(jìn)線側(cè)的電壓波形，在低壓整流電路中，變壓器的二次側(cè)電壓，一定會(huì)瞬間降到0 V，如圖3（a）中的曲線于。但反映到變壓器的一次側(cè)，這樣的瞬間降壓就被緩沖了，如圖3（a）中的曲線盂，所以對(duì)同一網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備不構(gòu)成干擾。而變頻器整流電路中沒有變壓器的緩沖，它的進(jìn)線電壓就是電網(wǎng)電壓。所以，在合閘瞬間，電網(wǎng)電壓要降到0 V，如圖猿（b）中的曲線虞，這將影響同一網(wǎng)絡(luò)中其他設(shè)備的正常工作，通常稱之為干擾。

　　所以，在整流橋和濾波電容之間，就需要接入一個(gè)限流電阻RL。一方面減小了通電時(shí)的沖擊電流，如圖猿（c）中的曲線愚。另一方面，瞬間的電壓降，也都降到限流電阻上了，二次側(cè)的電壓波形也解決了。等到電容器上的電壓上升到一定程度時(shí)，再把限流電阻短路掉，這就是限流電阻并聯(lián)開關(guān)器件的原因。

　　問題4 直流回路的電源指示為什么不裝在面板上？

　　表示變頻器已經(jīng)通電的電源指示由顯示屏進(jìn)行顯示。

　　直流回路的電源指示如圖4所示，其作用并不在于顯示變頻器是否通電，而是指示濾波電容器上是否有電。

　　當(dāng)變頻器切斷電源后，由于逆變橋已經(jīng)停止工作，濾波電容器的放電過(guò)程將十分緩慢。因此，當(dāng)維修人員打開變頻器的蓋子后，濾波電容器上往往還有較高的直流電壓，有可能對(duì)維修人員的人身安全構(gòu)成威脅。

　　所以，直流回路電源指示的作用是向維修人員警示：濾波電容器尚未放電完畢，不能觸摸帶電部分。

　　問題5 每個(gè)逆變管旁邊，為什么都要反并聯(lián)二極管？

　　在逆變橋中的每個(gè)逆變管旁邊，都要反并聯(lián)一個(gè)二極管，如圖1中之VD7耀VD12 所示。它的主要作用是為定子繞組的電感反饋能量提供回路。

　　異步電動(dòng)機(jī)的定子等效電路是一個(gè)電阻電感電路，如圖5 所示，其電流的變化（曲線于）將滯后于電壓的變化（曲線淤）。

　　在0耀t1 段：電流蚤與電壓u 的方向相反，是繞組的自感電動(dòng)勢(shì)（即反電動(dòng)勢(shì)）克服電源電壓在作功（磁場(chǎng)作功）。這時(shí)的電流將通過(guò)反并聯(lián)二極管流向直流回路，給濾波電容器充電；

　　在t1耀t2 段：電流蚤與電壓u 的方向相同，是電源電壓克服繞組的自感電動(dòng)勢(shì)在作功（電源作功）。這時(shí)的電流是濾波電容器通過(guò)逆變管流向電動(dòng)機(jī)而進(jìn)行的放電。

　　如果沒有反并聯(lián)二極管，則因?yàn)槟孀児苤荒軉畏较驅(qū)?，繞組的磁場(chǎng)無(wú)法與電源交換能量，電動(dòng)機(jī)的電流波形將發(fā)生畸變。

　　問題6 變頻器的主電路有哪些接線端子？

　　主電路接線端子的排列大致如圖6所示。

　　說(shuō)明如下：

　　1）R、S、T 變頻器的輸入端子，接至電源；

　　2）U、V、W 變頻器的輸出端子，接至電動(dòng)機(jī)；

　　3）P、N 濾波后直流電路的垣、原端子；

　　4）P1 整流橋輸出的垣端，出廠時(shí)P1 端與P端之間用一銅片短接，在需要接入直流電抗器DL時(shí)，拆去銅片，將DL接在P1 和P之間；

　　5）PE 接地端。

　　圖6（b）所示的是接入直流電抗器和制動(dòng)單元、制動(dòng)電阻的情形。

2 變頻器的外接主電路與器件選擇問題7 怎樣選擇空氣斷路器的容量？

　　1）必須考慮的因素因?yàn)榭諝鈹嗦菲骶哂羞^(guò)電流保護(hù)功能，為了避免變頻器接通電源時(shí)引起空氣斷路器的誤動(dòng)作，在進(jìn)行選擇時(shí)，必須考慮以下因素（如圖7 所示）：

　?。?）變頻器在剛接通電源的瞬間，對(duì)電容器的充電電流可高達(dá)額定電流的（2耀3）倍（在有限流電阻的情況下）；

　?。?）變頻器的進(jìn)線電流是脈沖電流，高次諧波成分極多，當(dāng)基波電流達(dá)到額定值時(shí)，實(shí)際電流的有效值要比額定電流大；

　?。?）變頻器本身具有一定的過(guò)載能力，通常為150豫，1 min。

　　2）選擇方法為了避免誤動(dòng)作，空氣斷路器應(yīng)選

　　問題8 變頻器前面一定要加接觸器嗎？

　　一般說(shuō)來(lái)，在空氣斷路器和變頻器之間，應(yīng)該接“輸入接觸器”。其主要作用如圖8 所示。

　　1）控制方便可通過(guò)按鈕開關(guān)方便地控制變頻器的通電與斷電；

　　2）發(fā)生故障時(shí)可自動(dòng)切斷變頻器電源這包括兩個(gè)方面：

　?。?）變頻器自身發(fā)生故障，報(bào)警輸出端子動(dòng)作（圖中的B原C 端之間斷開）時(shí)，可迅速切斷變頻器的電源；

　?。?）當(dāng)控制系統(tǒng)中有其他故障信號(hào)（如圖中的AL觸點(diǎn)斷開）時(shí)，也可迅速切斷變頻器的電源。

　　問題9 變頻器與電動(dòng)機(jī)之間要不要接輸出接觸器？

　　1）一臺(tái)變頻器控制一臺(tái)電動(dòng)機(jī)且不需要切換當(dāng)一臺(tái)變頻器只控制一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，且并不要求和工頻電源進(jìn)行切換時(shí)，變頻器與電動(dòng)機(jī)之間不要接輸出接觸器。主要原因是：如果接入了輸出接觸器，則有可能在變頻器的輸出頻率較高的情況下直接起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，產(chǎn)生較大的起動(dòng)電流，導(dǎo)致變頻器跳閘。

　　2）必須接輸出接觸器的場(chǎng)合必須接輸出接觸器的情況主要有兩種：

　?。?）一臺(tái)變頻器接多臺(tái)電動(dòng)機(jī)這時(shí)，每臺(tái)電動(dòng)機(jī)必須有單獨(dú)控制的接觸器，如圖9（a）所示；

　?。?）變頻和工頻需要切換這種情況下，當(dāng)電動(dòng)機(jī)接至工頻電源時(shí)，必須切斷和變頻器之間的聯(lián)系。因此，電動(dòng)機(jī)和變頻器之間的接觸器是必須的，如圖9(b）所示。

　　問題10 變頻器與電動(dòng)機(jī)之間是否需要接熱繼電器？

　　和輸出接觸器類似，當(dāng)一臺(tái)變頻器只控制一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，且并不要求和工頻進(jìn)行切換時(shí)，由于變頻器本身具有熱保護(hù)功能，所以沒有必要接熱繼電器；當(dāng)一臺(tái)變頻器接多臺(tái)電動(dòng)機(jī)時(shí)，由于每臺(tái)電動(dòng)機(jī)的容量比變頻器小得多，變頻器不可能對(duì)每臺(tái)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行熱保護(hù)。則每臺(tái)電動(dòng)機(jī)只能分別由各自的熱繼電器進(jìn)行保護(hù)；當(dāng)電動(dòng)機(jī)需要在變頻和工頻之間進(jìn)行切換控制的情況下，因?yàn)樵诠ゎl運(yùn)行時(shí)，變頻器不可能對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行熱保護(hù)，故熱繼電器也是必須的。

　　問題11 熱繼電器在變頻器輸出電路中容易誤動(dòng)作，何故？

　　變頻器的輸出電流盡管已經(jīng)和正弦波十分地接近了，但它畢竟還有和載波頻率相同的高次諧波成分。因此，在電動(dòng)機(jī)的輸出功率相同的情況下，其每相電流的有效值大于工頻運(yùn)行時(shí)的相電流。這就是當(dāng)電動(dòng)機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，熱繼電器容易誤動(dòng)作的原因。解決的方法有：

　　1）加大熱繼電器的動(dòng)作電流一般說(shuō)來(lái)，熱繼電器的動(dòng)作電流應(yīng)增加10%左右。

　　2）接入旁路電容在熱繼電器的發(fā)熱元件旁邊，并聯(lián)一個(gè)旁路電容器，使高次諧波電流不流經(jīng)熱繼電器的發(fā)熱元件，如圖10 所示。

　　問題12 為什么變頻器的輸出線有時(shí)需要加粗？

　　因?yàn)樽冾l器的輸出電壓是和輸出頻率一起變化的，當(dāng)輸出頻率很低時(shí)，輸出電壓也很低。因此，線路上的電壓降所占的比例將增大，使電動(dòng)機(jī)實(shí)際得到的電壓減小，嚴(yán)重時(shí)將不能正常運(yùn)行。一般將電動(dòng)機(jī)和變頻器之間的線路電壓降規(guī)定為

　　因此，當(dāng)電動(dòng)機(jī)和變頻器之間的距離較遠(yuǎn)，工作頻率又較低的情況下，必須考慮線路電壓降的影響，如圖11所示。必要時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加粗變頻器的輸出線。

　　問題13 電動(dòng)機(jī)和變頻器之間的距離較遠(yuǎn)時(shí)應(yīng)采取哪些措施？

　　由于變頻器輸出電壓是高頻脈沖電壓，當(dāng)電動(dòng)機(jī)和變頻器之間的距離較遠(yuǎn)時(shí)，線間的分布電容和電動(dòng)機(jī)的漏磁電感之間有可能因接近于諧振點(diǎn)而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的輸入電壓偏高，從而使電動(dòng)機(jī)的槽絕緣容易損壞，或運(yùn)行時(shí)發(fā)生振動(dòng)。

　　解決的辦法，是在變頻器的輸出側(cè)接入輸出電抗器。

　　如電動(dòng)機(jī)的容量較小，與變頻器的距離又并不很遠(yuǎn)時(shí)，則將變頻器的三根輸出線按同方向一起繞制在高頻磁心上就可以了，如圖12所示。