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變頻器工作原理

變頻器的整機(jī)電路解析

一.  電源/驅(qū)動(dòng)電路板電路

變頻器的主電路由輸入整流模塊、輸出逆變模塊和儲(chǔ)能電容搭成主框架。小功率變頻器還內(nèi)置直流制動(dòng)開(kāi)關(guān)管和制動(dòng)電阻器,受CPU信號(hào)控制,在因負(fù)載電動(dòng)機(jī)反發(fā)電造成電能饋回直流回路,致使直流回路電壓異常上升,危及逆變模塊和儲(chǔ)能電容的安全時(shí),制動(dòng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通,將制動(dòng)電阻并入直流回路。本電路中光耦合器PC1驅(qū)動(dòng)制動(dòng)開(kāi)關(guān)管VF1的回路,不能形成激勵(lì)電壓的通路,制動(dòng)電路形同虛設(shè)。即使為成品機(jī)型,也可能有電路上的失誤之處。維修中需注意!


圖??INVERTER VFO 220V 0. 4kW 變頻器主電路?

本變頻器逆變模塊的型號(hào)為STK621-051A,為智能功率模塊(IPM)。模塊內(nèi)含IGBT的驅(qū)動(dòng)電路、欠電壓(驅(qū)動(dòng)電壓跌落時(shí)電路動(dòng)作)和IGBT過(guò)電流、短路保護(hù)電路,以及模塊溫度檢測(cè)電路、故障信號(hào)輸出電路。FO為故障信號(hào)輸出端子,經(jīng)CN1的5腳連接到CPU的77腳。模塊內(nèi)部故障檢測(cè)電路往往有自鎖功能,在輸出過(guò)電流、短路或驅(qū)動(dòng)電源欠電壓、模塊過(guò)熱等故障發(fā)生時(shí),也對(duì)IGBT實(shí)施了關(guān)斷措施。模塊輸出的IS電流檢測(cè)信號(hào),先由IC2(C4570C)運(yùn)算放大器處理后,經(jīng)CN1的4腳送入CPU的59腳,以供運(yùn)行電流顯示及故障報(bào)警之用。因?yàn)椴捎昧薎PM,使得保護(hù)電路大為簡(jiǎn)化,電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)潔。

6路逆變脈沖信號(hào)由CPU經(jīng)CN1的6個(gè)端子輸入到模塊內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路。U、V、W輸出端子上并接的C11、C12、C133只電容器,為驅(qū)動(dòng)電路的自舉電容,當(dāng)其失容時(shí),會(huì)因不能良好地驅(qū)動(dòng)IGBT而頻報(bào)OC、SC故障。

變頻器開(kāi)關(guān)電源電路的供電取自直流回路的+、-端,為直流280V左右。開(kāi)關(guān)電源為單管自激振蕩電路,R1、R2為起動(dòng)電路,提供開(kāi)關(guān)管VT1上電時(shí)的起振電壓。R5、C4等元件形成正反饋支路,控制VT1的截止和飽和導(dǎo)通。VD3、VS1又構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)壓支路,除加速VT1的截止外,利用VS1的電壓擊穿特性,可使振蕩電路完成工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換(VS1的擊穿電壓點(diǎn),即VT1由飽和導(dǎo)通到進(jìn)入放大區(qū)與截止區(qū)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)),以此來(lái)控制電路達(dá)到穩(wěn)壓輸出的目的。二次繞組輸出的工作電源還要經(jīng)后級(jí)穩(wěn)壓電路處理后,才作為控制電源。控制端子的電源Vc1由VD4、C7整流濾波得到,因采用IPM的原因,逆變電路不再需要外部4路相互獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電源,這使得電源電路也大為簡(jiǎn)化。Vc1提供變頻器控制端子的操作電源。VD5、C10整流濾波得到的VD電源,專供逆變模塊內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)電路的供電。VD6、VD7整流電路提供控制電路所需的正、負(fù)電源。除控制端子的操作電源外,其他電源都是共“地”的,與直流回路的-端同電位。電路板上的各路供電,與“強(qiáng)電”有通路,這一點(diǎn)必須注意!檢修時(shí)應(yīng)用隔離220V交流電源供電,避免電擊!


INVERTER VFO 220V 0. 4kW 變頻器開(kāi)關(guān)電源電路

 、CPU 主板電路

下圖為CPU主板電路之一—CPU的基本電路,也即滿足CPU基本工作條件所需的電路構(gòu)成。由+5V供電電路、復(fù)位電路、晶振電路、外接存儲(chǔ)器電路、操作顯示面板的數(shù)碼顯示電路和鍵盤電路組成。


CPU 的基本電路

下圖為CPU主板電路之二—數(shù)字/模擬信號(hào)控制端子電路,是處理變頻器的控制端子輸入、輸出的數(shù)字與模擬信號(hào)的。10、11控制端子輸出變頻器的狀態(tài)(運(yùn)轉(zhuǎn)或故障)開(kāi)關(guān)量信號(hào)。RP1輸入面板頻率指令信號(hào)。2端子輸入控制端子輸入的模擬電壓信號(hào)—頻率指令信號(hào)。輸入信號(hào)的切換由IC4(BU4066BCK)雙向模擬開(kāi)關(guān)來(lái)控制。


數(shù)字/模擬信號(hào)控制端子電路

下圖為CPU主板電路之三—數(shù)字控制端子電路。電路處理的都是數(shù)字開(kāi)關(guān)量信號(hào)。用戶用外接按鈕、開(kāi)關(guān)等,通過(guò)數(shù)字控制端子,控制變頻器的啟停和故障復(fù)位等。3~9端子為控制信號(hào)輸入端子,控制信號(hào)經(jīng)光耦合器輸入到CPU引腳。繼電器K1輸出變頻器的工作狀態(tài)信號(hào),是無(wú)源觸點(diǎn)輸出。VT2、PC2、運(yùn)算放大器IC6等電路,是將CPU76腳輸出的PWM脈沖信號(hào),經(jīng)光電隔離、數(shù)/模轉(zhuǎn)換、低通濾波成模擬電壓信號(hào),供外接電壓表來(lái)顯示運(yùn)行頻率的。電路傳輸?shù)膶?shí)際也為開(kāi)關(guān)量信號(hào)。


數(shù)字控制端子電路

變頻器驅(qū)動(dòng)線路常用光耦芯片作用和功能詳解

在變頻器驅(qū)動(dòng)線路中,為了保證控制端和驅(qū)動(dòng)端的電氣隔離,會(huì)使用光耦芯片作為控制信號(hào)轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的耦合元件。其中,比較常見(jiàn)的光耦芯片有6腳,8腳,16腳幾種封裝,比如HCPL3150,HCPL316J,PC923,PC929,TLP350,TLP520,F(xiàn)OD3120等,其中16腳封裝的還集成了管壓降檢測(cè)功能,下面以PC923,PC929為例,介紹一下光耦芯片的作用和功能。

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變頻器主電路結(jié)構(gòu)詳解

現(xiàn)在主流的變頻器基本使用的都是交-直-交的結(jié)構(gòu),其內(nèi)部的電路原理也基本相同,我們可以通過(guò)對(duì)主電路分析,來(lái)了解變頻器的內(nèi)部原理。

主電路中,我們分三部分介紹,分別是:

  1. 交流轉(zhuǎn)直流電路
  2. 直流轉(zhuǎn)交流電路
  3. 能耗制動(dòng)電路
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ABB變頻器控制方式詳解

ABB變頻器的控制方式可以分很多種:

從控制方式上看,有本地控制盤控制,控制盤控制就是在變頻器上直接用操作面板控制或者是PC工具軟件控制??刂票P控制是在控制面板上給定,在控制面板上啟動(dòng)/停止。PC工具是專用的一些軟件,通過(guò)傳輸電纜也可以控制變頻器。這些控制也叫作本地控制。

除了本地控制,還有外部控制。外部控制在變頻器之外,由外部發(fā)送控制邏輯控制變頻器。變頻器可以通過(guò)控制面板的本地/遠(yuǎn)程切換鍵切換本地控制和外部控制。

外部控制也包括很多種類:

1.外部I/O端子控制,外部I/O端子控制包括模擬量輸入端子、數(shù)字量輸入端子、模擬量輸出端子、繼電器輸出端子等

2.現(xiàn)場(chǎng)總線適配器控制?,F(xiàn)場(chǎng)總線適配器控制就是通過(guò)PIC或者是電腦,通過(guò)不同的通訊協(xié)議卡,連接成控制鏈路,具有接線簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

3.DDCS通訊模塊控制,DDCS控制也是通過(guò)電腦控制變頻器。

4.外部控制也可以通過(guò)控制面板完成對(duì)變頻器的控制

5.主從鏈路控制,主從控制就是一個(gè)主機(jī),多個(gè)從機(jī)的控制。一般主機(jī)是轉(zhuǎn)速控制,從機(jī)可以是轉(zhuǎn)速控制,也可以是轉(zhuǎn)矩控制。一個(gè)主機(jī)最多可以帶10個(gè)從機(jī)。

參見(jiàn)下面示意圖:

從對(duì)電機(jī)的控制來(lái)看,有對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制、對(duì)電機(jī)的頻率控制以及對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制。

電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制,就是要保證在一定負(fù)載范圍內(nèi),電機(jī)的轉(zhuǎn)速是恒定不變的。當(dāng)負(fù)載輕時(shí),變頻器會(huì)減小輸出給電機(jī)的轉(zhuǎn)矩,當(dāng)負(fù)載重時(shí),變頻器增加給電機(jī)的轉(zhuǎn)矩,來(lái)保證電機(jī)的速度不變。所以,變頻器速度控制就是轉(zhuǎn)矩變化,速度不變的控制。轉(zhuǎn)速控制可以在標(biāo)量模式下使用,也可以在DTC模式下使用。

電機(jī)的頻率控制,就是要保證在一定負(fù)載范圍內(nèi),電機(jī)的頻率是恒定不變的。當(dāng)負(fù)載輕時(shí),變頻器會(huì)減小輸出給電機(jī)的轉(zhuǎn)矩,當(dāng)負(fù)載重時(shí),變頻器增加給電機(jī)的轉(zhuǎn)矩,來(lái)保證電機(jī)的頻率不變。所以,變頻器頻率控制就是轉(zhuǎn)矩變化,頻率不變的控制。這種控制只能在標(biāo)量模式下使用

電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制,轉(zhuǎn)矩控制是在一定負(fù)載范圍內(nèi),電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是恒定的,當(dāng)負(fù)載輕時(shí),電機(jī)的轉(zhuǎn)速變快。當(dāng)負(fù)載重時(shí),電機(jī)的轉(zhuǎn)速變慢。所以,電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制就是轉(zhuǎn)矩不變,轉(zhuǎn)速變化的控制。轉(zhuǎn)矩控制只能在DTC模式下使用。

從ABB變頻器控制精度上看,變頻器控制分為開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制。開(kāi)環(huán)控制就是無(wú)外圍編碼器的控制。閉環(huán)控制是帶有外圍編碼器的控制。開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制主要區(qū)別是控制的精度,閉環(huán)控制要比開(kāi)環(huán)控制的精度高。對(duì)于一些控制精度高的場(chǎng)合,要加編碼器控制。

變頻器運(yùn)行中電機(jī)振動(dòng)的原因及對(duì)策

變頻器帶電機(jī)運(yùn)行期間,如果電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生振動(dòng),會(huì)使繞組絕緣和軸承壽命縮短,影響滑動(dòng)軸承的正常潤(rùn)滑,而且振動(dòng)力促使絕緣縫隙擴(kuò)大,使外界粉塵和水分入侵其中,造成絕緣電阻降低和泄露電流增大,甚至形成絕緣擊穿等事故。

另外,電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生振動(dòng),也容易使冷卻器水管振裂,焊接點(diǎn)振開(kāi),同時(shí)會(huì)造成負(fù)載機(jī)械的損傷,降低工件精度,導(dǎo)致所有遭到振動(dòng)的機(jī)械部分的疲勞,使地腳螺絲松動(dòng)或斷掉,并使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生很大噪音。

電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)的原因很多,主要有三種情況:電磁方面原因;機(jī)械方面原因;機(jī)電混合方面原因。本文主要介紹一下與變頻器相關(guān)的原因及處理方法。

一、變頻器輸出不平衡變頻器三相電壓輸出不平衡,導(dǎo)致電機(jī)三相電流不平衡,從而導(dǎo)致電機(jī)振動(dòng)。這種情況有可能是變頻器IGBT、或控制IGBT觸發(fā)的回路出現(xiàn)問(wèn)題,將故障元件更換就可解決問(wèn)題。

二、電機(jī)發(fā)生共振這種情況,可以在變頻器中設(shè)定跳躍頻率來(lái)避免。以ACS510變頻器為例,假如電機(jī)的共振頻率為10-14HZ,則將參數(shù)2502危險(xiǎn)頻率低限設(shè)為10HZ,2503危險(xiǎn)頻率高限設(shè)為14HZ,如此變頻器將不會(huì)運(yùn)行在10-14HZ區(qū)間,從而避免電機(jī)發(fā)生共振。

三、諧波影響在變頻器中,通常使用晶閘管、IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)等開(kāi)關(guān)元件來(lái)控制電源的輸出電壓和頻率。這些開(kāi)關(guān)元件在開(kāi)關(guān)過(guò)程中會(huì)引入非線性特性,從而導(dǎo)致諧波的產(chǎn)生。當(dāng)電機(jī)受到諧波的作用時(shí),會(huì)產(chǎn)生額外的力矩,導(dǎo)致電機(jī)的轉(zhuǎn)子振動(dòng)。高次諧波的產(chǎn)生與頻率范圍、傳輸路徑、環(huán)摬條件等相關(guān)。

我們通??梢酝ㄟ^(guò)加裝輸入、輸出電抗器等濾波裝置來(lái)減少諧波的產(chǎn)生。

四、參數(shù)設(shè)置問(wèn)題變頻器的參數(shù)設(shè)置不合理會(huì)導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生抖動(dòng)。解決辦法是根據(jù)電機(jī)的特性和工作要求,合理設(shè)置變頻器的參數(shù),如加速時(shí)間、減速時(shí)間等,如大力矩負(fù)載應(yīng)使用矢量控制或DTC控制等。

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