张燕宾讲变频

一 一．变频器的主电路（一） 　　小孙是蓝天公司的电气 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 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？” 　　“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1－1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，而只能从另一种能源变过来。这‘另一种能源’，便是直流电。 图1－1　交－直－交变频器框图 　　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 　　“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1－3　滤波电容的均压电路 　　“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： 　　如果两个电容器组的电容量有差异，假设： 　　则两个电容器组上的电压分配必不相等： 　　而两个电容器的充电电流分别是： 　　很明显： 　　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： 　　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 kΩ，这就好算了。”只见小孙在纸上算了起来： 　　“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 　　“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： 图1－4　整流电路的合闸 　　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。 　　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。接着说：“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。 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 　　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。 　　“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。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？” 图1－6　限流电路里的电流 　　“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0.75 s到1.25 s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： 　　“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： 　　“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。 　　“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1－7　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。 图1－8　长期存放电容器的复原 　　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。 　　“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。” 图1－9　旁路器件的动作检查 （a）原理图　（b）外部接线图 　　“为什么要接两个灯泡呢？”小孙问。 　　“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？” 图1－10　抗干扰电容 　　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 　　“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1－11。 图1－11　直流指示 　　“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。”小孙说。 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。 图1－12　IGBT管的构成 （a）晶体管　（b）场效应管　（c）IGBT 　　“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？”小孙问。 　　“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？”小孙问。 　　“是的。”张老师又找出了一张图，如图1－13。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。” 图1－13　IGBT管的工作状态 （a）饱和导通状态　（b）截止状态 　　“我用万用表量了一下，怎么觉得它有点像晶闸管呢？”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。 　　“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？” 图1－14　IGBT管的粗测 （a）GE接电池　（b）拿掉电池　（c）接入电阻 　　“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。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？”