变频器的主电路Word格式.docx
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变频器的主电路Word格式.docx
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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30kΩ,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。
“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。
“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0.75s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:
“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?
“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?
“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?
“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。
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