变频器启动电阻的选用,变频器充电电阻选用-华巨电子


1.充电电阻

  中小功率通用变频器一般为电压型变频器,采用交—直—交工作方式。当变频器刚上电时,由于直流侧的滤波电容容量非常大,在刚充电的瞬间对电流相当于短路,电流会很大。如果在整流桥与电解电容之间不加充电电阻,则相当于380V电源直接对地短路,瞬间整流桥通过无穷大的电流导致整流桥炸掉。加上充电电阻限流后,要是不并继电器或其他元件,充电电阻消耗功率也很大。例如对于22kW的变频器,在PN端(直流母线)上至少有45A的电流。如果“接控制电路”部分出问题(比如继电器或者晶闸管等等质量有问题)则在变频器运行一会儿充电电阻就将因发热太大而坏掉。所以充电电阻串接在充电回路中,起通电瞬间限流充电,以保护整流器等一些输入回路器件的作用,有的书本上也叫缓冲电阻或启动电阻。西门子6SE701G变频启动电路如附图所示。  

充电完成后,控制电路通过继电器的触点或晶闸管将电阻短路,完成变频器的上电过程。如果变频器的交流输入电源频繁通断,或者旁路接触器的触点接触不良或晶闸管的导通阻值变大,反复充电或充电时间过长都会导致充电电阻烧坏。因此在替换充电电阻前,必须找出原因,才能再将变频器投入使用。

  但有的变频器在启动期间CPU是有一个电压检测和降频动作的,如果接触器线圈引线端子松动造成接触不良,接触器未能吸合,启动时的较大电流在充电电阻上形成较大的压降,主回路直流电压的急剧跌落为电压检测电路所侦测,CPU会做出降频指令,在空载或轻载时,检测电路将欠压故障“及时上报”,CPU马上停机保护。电阻来不及烧掉,变频器已经停机保护。

  那么,如何选择充电电阻的阻值呢?

  380V交流电整流后经过充电电阻对电解电容充电,当充到一定值(比如DC200V)辅助电源启动给控制板供电,让控制板工作从而继电器或晶闸管接通,充电电阻就不再工作了。在开机的瞬间,充电电阻越小,则流过整流桥的电流就越大。经常有初学变频器维修者打来电话咨询,更换了充电电阻,变频器一开机,整流桥马上就被炸掉了,是不是充电电阻选择太小了呢?答案是否定的。

  其实,在开机瞬间,一般情况下一开机炸掉整流桥不是因为选择的充电电阻R小了,而是R太大导致整流桥的炸掉。因为变频器开机后,电流经充电电阻去充电,当充的电足够辅助电源启动(比如200V),CPU工作,发出信号给继电器或晶闸管可控硅让其导通。在继电器导通瞬间继电器b点处电压要是很低(比200V大),而a点电压是AC380V直接整流过来大概在DC540V左右,所以a、b二端压差很大。在触发、导通瞬间电流很大,就好比a、b之间是一个很小的电阻,瞬间几百伏电压加上去,这样整流桥流过的电流远远大于整流桥额定电流,所以把整流桥炸掉。

  变频器功率越大,充电电阻越小。因为变频器功率越大,需要电解电容的容量就越大,而电容器的容量越大,所需要充电的时间就越长。RC决定充电时间,要想充电时间尽量短,只有把充电电阻R取小。一般充电电阻选择:最大值最好不要超过300Ω,最小值最好大于等于10Ω,大功率变频器选择充电电阻小,小功率变频器充电电阻大。

  2.储能电容

  储能电容容量的选择:一般选择经验值为≥60μF/A。例如,一台15kW的变频器额定电流为30A,需要的电容容量为≥60μF/A×30A即至少为1800μF,所以一般选择4个2200μF(二并二串)或者2个4700μF的电容(二串联)。当然还要考虑所选电容器的品牌,品牌不同,质量相差会很大。

  有的人维修变频器只对损坏的逆变模块一换了之,往往用不了多长时间模块再次损坏。出现这种情况会抱怨模块质量不佳,用户使用环境太差等等。其实,最重要的原因是他们没有找出逆变模块损坏的原因,没有彻底清除故障隐患。

  逆变模块的损坏,除了负载长时间过载、散热不良和雷电冲击之外,究其内部原因,电容器的容量减小、失容和失效,是导致其损坏的致命杀手!其危害性不容忽视。容量减小,轻者表现为带负载能力差,负载加重时往往引起直流回路欠压眺闸故障,电容进一步损坏时,则形成对逆变模块的致命打击,此时,电压检测电路来不及做出反应,报出故障,造成逆变模块损坏。

  电容不良或失效以后(或容量变小),带小功率负载(大马拉小车)运行时表面上看不出什么异常,但接入较大功率负载后(满载运行)情形就不一样了。此时变频器直流回路已完全(或者部分)丧失储能滤波能力。直流回路是频率为300Hz的脉动直流,电机启动时的电流吸入,加大了脉动电流的脉动成分。这是电阻选小了对高压电容不利,电阻选大了容易炸的原因之一。此外,如果电机绕组的反电势或变频器的某一输出载波,恰好落在脉动直流的变化范围之内,二者相互叠加,整个系统内脉动电流的急剧变化,恰好落到某一频率点上,电路中的分布电感和分布电容不时的加入进来,各方面的不利因素的加入和互为作用,使回路中的动态能量急剧上升,瞬间危险的谐振过电压在此时出现!逆变模块中的IGBT管和电路中的尖峰电压吸收二极管,它们的耐压值在正常时有一定的甚至是较大的富裕量,但在此时高于耐压值数倍的高电压冲击下,并无招架之功,也显得非常脆弱,过电压炸裂和击穿短路也就不足为奇了。虽然变频器有完善的电压或电流保护检测电路,但如果经常要面对此类瞬间电压畸变,显得无能无力,或有时根本无法做出适时的反应。

  但储能电容不良故障往往又较为隐蔽,可以说是软故障,容易被人忽视。有的电容测其容量似乎没有问题,也可以运行,但在运行中是一大隐患。尤其是大功率变频器中的电容,如果环境恶劣运行年久,其引出电极常年累月经受数百赫兹的大电流充、放电冲击,出现不同程度的腐蚀氧化现象,用电容表测量,容量无异常,但接在电路中,则因充、放电内阻增大,致使直流回路电压跌落,变频器不能正常工作,从而使检修人员作出误判,走弯路。再次强调:储能电容失容后极易出现谐振过电压导致模块炸裂。

 NTC热敏电阻并不总是电源中的浪涌电流限制器(ICL)的必然选择。在有着特 别严格温度和功率要求的应用场合,PTC热敏电阻能够提供更为可靠的防护。华巨科技(SINOCHIP) PTC ICL额外的好处是能够提供短路防护能力。

     在开启驱动系统、逆变器或电源等电气设备时总会出现大电流,由于过大的 浪涌电流会损坏敏感元件如电源中的整流器或者烧坏保险丝,因此需要采取防护措施(图1)。对于浪涌电流的限制有两 种基本方式:在电源电路中简单地布置防护设备作为浪涌电流限制器(ICL),或者在浪涌电流峰值消退后使用主动旁路电 路。这两种方式也分别被称为被动和主动ICL电路。对于特定应用来说,浪涌电流抑制技术的选择取决于多个因素。最重 要的是电源功率、设备遭受的浪涌电流的频率、工作温度范围以及系统成本要求。


图1:使用及不使用ICL时的浪涌电流

被动浪涌电流限制


对于额定功率最多为几瓦的小功率电源,最简单实用的浪涌电流限制方案是与负载串联一个普通电阻器,不过对于有着 更高额定功率的电源,固定电阻的功率损耗会显著影响整体效率。在这些情况下,NTC热敏电阻用作被动电流限制业已 成为标准的ICL解决方案(图2)。


图2:使用NTC ICL的被动浪涌电流限制



NTC热敏电阻一旦受热,其初始时较高的阻值会降低至可忽略不计的水平,这一特性使得NTC ICL在额定功率最高约为500W的电源中成为标准ICL解决方案。NTC热敏电阻在温度较低时阻值较高,在温度较高时阻值较低。在温度较低的状态,NTC ICL较高的初始电阻能够有效 地吸收峰值浪涌电流。由于电流负载的作用以及随之而来的自热作用,ICL阻值接着会降低为其室温阻值的百分之几。这 一特性能够减小ICL在连续运行下的功率消耗,因此NTC ICL可以在电容器完全充满电后仍留在电路中。最后,使用NTC ICL的成本较低,方案也易于实现。

    专注于更高功率水平应用的低损耗解决方案 电源的设计越来越集中于尽可能地消除功率损耗。一旦额定功率超过越500W,被动电路解决方案的缺点就变得非常明显。如果ICL总是与负载串联,则其带来的功率损耗会非常大。设备的额定功率越高,典型工作时间越长,附带功率损耗便越明显。假设NTC ICL的功率损耗占设备总功率的1%,电源的效率为92%,则大约12.5%的总损耗都是由NTC引起的。

     主动浪涌电流限制 因此对较高的功率水平,标准的做法是一旦浪涌电流峰值已经消退便使用继电器或可控硅旁路ICL。根据应用要求的不同,主动浪涌电流限制电路可以采用功率电阻、NTC热敏电阻或PTC热敏电阻(图3)作为ICL部件。比如PTC热敏电阻经常用于混合动力或电动汽车的插入式车载充电器(OBC),此类充电器的额定功率通常达到了几千瓦。虽然主动浪涌电流限制的益处对于额定功率大于500W的情况下才最为明显,不过该方法对于提高较低功率水平应用的性能可能也是必要的。尽管主动浪涌电流限制自身系统成本稍微偏高,但是对于较低的额定功率应用,其可以减少功率损耗,而且可以采用 相对便宜的额定值较小的开关和半导体器件。


图3:主动浪涌电流限制



何时适宜采用PTC热敏电阻作为ICL在某些应用中,使用PTC热敏电阻作为ICL可提供优异的性能。NTC ICL在电源打开时的阻值取决于环境温度。在较低的环境温度下NTC热敏电阻的阻值会比较高,导致充电电流较低、充电时间较长。而另一方面,较高的环境温度会限制NTC ICL抑制浪涌电流的能力,因为NTC热敏电阻已经处于低阻状态。这种温度依赖性会对部分应用,特别是工作温度 范围较宽的应用造成问题。比如,在北方冬季使用的户外电源,可能永远难以升得足够热以使电阻值降得足够低。相反,热水循环泵在启动时可能已经很热了,这会使得NTC热敏电阻无法限制浪涌电流。在系统关闭后,NTC热敏电阻 的冷却时间通常在30S至120S间变动,具体时间取决于特定的设备、安装方式以及环境温度。仅当NTC ICL完全冷却后才能够再次限制充电电流。在很多情况下,该冷却时间已经足够快;但是有时在NTC充分冷却之前便需要对浪涌电流进行有效的限制。这可能出现在直流母线电容器的快速放电中,在逆变器驱动的家用电气如新型洗衣机和烘干机中便会出 现这种情况。在短暂的断电之后必要的冷却时间是非常关键的。因此,主动浪涌电流限制设计必须总是考虑到所有可能 的NTC ICL仍在低阻状态时浪涌电流峰值出现的情况。在这两种情况下,华巨科技(SINOCHIP) PTC热敏电阻都可以提供有效的浪涌电流限制方案。


内置自我保护功能


在正常的工作条件下,PTC ICL作为一个普通电阻使用。当电源打开,元件温度与环境温度相同时,PTC ICL依型号不同 阻值在20 欧至500 欧之间变动。这已足够限制浪涌电流峰值。一旦直流母线电容器完全充电,PTC ICL便被旁路掉,

如果充电电路出现故障,PTC热敏电阻的特殊功能便可发挥作用保护电路。当电流通过该元件,PTC热敏电阻温度会升 高,阻值也会显著增加。因此,得益于其自保护功能,PTC热敏电阻在以下失效模式下有着先天的优势:


– 电容器短路

– 当直流母线电容器充电后电流限制元件未被旁路(开关元件失效)。



所有这些失效模式都有一个共同点:电流限制元件受到热应力。有两种方式可以保证ICL元件不会在类似情况下损坏:使 用一个具有足够额定功率的功率电阻或者使用PTC热敏电阻。华巨科技(SINOCHIP) PTC ICL的设计使得其在直接连接至最 大额定电压的供电电压时也能工作,且无需额外的电流限制措施,因为PTC ICL具有自保护功能。在出现过大电流如短 路的情况下,PTC温度会升高,从而导致其阻值显著上升,这样PTC热敏电阻自己便可以将电流限制至非临界水平(图4)。

图4:电容器短路时的电流曲线

如果出现了电容器短路情况,通过PTC陶瓷电阻的电流会迅速下降至非临界值(蓝色)。不过,若使用普通电阻,电流会维持 在较高的恒定值(红色)。


华巨科技(SINOCHIP) PTC热敏电阻在一些应用中作为主动浪涌电流限制的ICL元件有着一些关键优势:


– 其ICL功能不会受到极端工作温度的影响。

– 一旦负载关闭便可以实现有效的浪涌电流限制,冷却已经在正常工作时进行。

– 对由电路故障引发的电流过载有着自保护功能。


得益于华巨科技(SINOCHIP) ICL广泛的产品组合,您可在苛刻的温度条件下,实现对电源高浪涌电流和短路的可靠保护。

 

储能电容的充电控制电路

  自我防护式充电电阻器以PTC(正温度系数)陶瓷为基础,用于平滑电源中的电容器。当发生短路时,它们会将电流限定在安全水平。

普通电阻在电容充电时常用来限制电流。不过,这常有技术风险。举例来说,当短接电容器时,如果电容器短路或者继电器失灵,电阻器将持续暴露在大功率电平下。这可能导致电阻器或者整个系统遭到破坏。华巨电子采用基于PTC陶瓷的新式MZFLY系列充电电阻器,现已研发出一种专业解决方案:在自我防护的同时,还实现了相对紧凑的尺寸。如下表所示,

  1. 引线型主要技术参数



    型号

    零功率电阻R25

    最大电压

    热容量

    最大不作动能量@60℃

    工作温度

    (Ω)

    Vmax

    Cth(J/K)

    ENon60(J)

    (℃)

    (Vac)Vdc
    WMZ12A-25D120T4R7H4.72203308.0350

    -55~+85

    WMZ12A-25D120T6R8H6.82203308.0350
    WMZ12A-25D120T15RH154206008.0350
    WMZ12A-25D120T22RH224206008.0350
    WMZ12A-25D120T33RH334206008.0350
    WMZ12A-25D120T47RH474206008.0350
    WMZ12A-25D120T50RH504206008.0350
    WMZ12A-25D120T68RH684206008.0350
    WMZ12A-25D120T101RH1004206008.0350
    WMZ12A-25D120T151RH1504206008.0350
    WMZ12A-25D120T201RH2004206008.0350
    WMZ12A-25D120T251RH2504206008.0350
    WMZ12A-25D120T301RH3004206008.0350
    WMZ12A-25D120T102RH10004807008.0350
    WMZ12A-25D120T4R7HTS14.72704009.0380
    WMZ12A-25D120T6R8HTS16.82704009.0380
    WMZ12A-25D120T10RHTS1102704009.0380
    WMZ12A-25D120T15RHTS1154206009.0380
    WMZ12A-25D120T30RHTS1304206009.0380
    WMZ12A-25D120T40RHTS1404206009.0380
    WMZ12A-25D120T15RHTS21560010009.5400
    WMZ12A-25D120T25RHTS22560010009.5400
    WMZ12A-25D120T30RHTS23060010009.5400
    WMZ12A-25D120T40RHTS24060010009.5400
    WMZ12A-25D130T33RH3360010009.5400
    WMZ12A-25D135T4R7H4.72203309.5400
    WMZ12A-25D135T6R8H6.82203309.5400
    WMZ12A-25D135T15RH153805609.5400
    WMZ12A-25D135T22RH224206009.5400
    WMZ12A-25D135T33RH334206009.5400
    WMZ12A-25D135T47RH454206009.5400
    WMZ12A-22D120T4R7H4.72203307.0320
    WMZ12A-22D120T5R5H5.52203307.0320
    WMZ12A-22D120T10RH102704007.0320
    WMZ12A-22D120T20RH204206007.0320
    WMZ12A-22D120T33RH334206007.0320
    WMZ12A-22D120T68RH684206007.0320
    WMZ12A-22D120T80RH804206007.0320
    WMZ12A-22D120T101RH1004206007.0320
    WMZ12A-22D120T121RH1204206007.0320
    WMZ12A-22D120T151RH1504206007.0320
    WMZ12A-22D120T181RH1804206007.0320
    WMZ12A-20D130T33R332704003.8186
    WMZ12A-20D120T33RHA332704005.0210
    WMZ12A-20D120T47R472704005.0210
    WMZ12A-20D120T68R684206005.0210
    WMZ12A-20D120T101R1004206005.0210
    WMZ12A-20D120T101RHTS210080012005.0210
    WMZ12A-20D120T151R1504206005.0210
    WMZ12A-20D120T201R2004206005.0210
    WMZ12A-20D120T251R2504206005.0210
    WMZ12A-20D120T301R3004206005.0210
    WMZ12A-19D110T10R102704003.5145
    WMZ12A-19D105T5R0H5.02203303.5145
    WMZ12A-19D105T6R8H6.82203303.5145
    WMZ12A-19D105T10RH102704003.5145
    WMZ12A-19D105T22RH223806003.5145
    WMZ12A-19D105T33RH333806003.5145
    WMZ12A-19D120T4R7H4.72203303.7160
    WMZ12A-19D120T6R8H6.82203303.7160
    WMZ12A-19D120T15TH152704003.7160
    WMZ12A-19D120T22RH223806003.7160
    WMZ12A-19D120T33RH333806003.7160
    WMZ12A-19D120T47RH473806003.7160
    WMZ12A-19D135T3R3H3.32203304.0180
    WMZ12A-19D135T4R7H4.72203304.0180
    WMZ12A-19D135T6R8H6.82203304.0180
    WMZ12A-19D135T10RH102704004.0180
    WMZ12A-19D135T15RH153806004.0180
    WMZ12A-19D135T22RH223806004.0180
    WMZ12A-19D135T33RH333806004.0180
    WMZ12A-19D135T47RH473806004.0180
    WMZ12A-19D135T68RH683806004.0180
    WMZ12A-16D120T27R272704002.3134
    WMZ12A-16D120T35R352704002.3134
    WMZ12A-16D120T47R472704003.2134
    WMZ12A-16D120T50R502704002.3134
    WMZ12A-16D120T68R682704003.2134
    WMZ12A-16D120T101R1004206003.2134
    WMZ12A-16D120T151R1504206003.2134
    WMZ12A-16D120T101RTS1006008003.2134
    WMZ12A-14D120T15R152704002.084
    WMZ12A-14D120T22R223805502.084
    WMZ12A-14D120T30R303805502.084
    WMZ12A-14D120T45R453805502.084
    WMZ12A-14D105T18R183805502.063
    WMZ12A-11D120T15R152704001.458
    WMZ12A-13D80T47R472704002.084
    WMZ12A-13D80T68R682704002.084
    WMZ12A-13D80T101R1004206002.084
    WMZ12A-13D80T151R1504206002.084
    WMZ12A-13D120T47R472704002.084
    WMZ12A-13D120T68R682704002.084
    WMZ12A-13D120T101R1004206002.084
    WMZ12A-13D120T151R1504206002.084
    WMZ12A-13D120T201R2004206002.084
    WMZ12A-11D115T25R253805501.454
    WMZ12A-11D115T50R503805501.454
    WMZ12A-11D115T80R803805501.454
    WMZ12A-19D100T50R503805503.598
    WMZ12A-11D115T121R1203805501.454
    WMZ12A-11D115T151R1503805501.454
    WMZ12A-14D130T121R1204406402.1103
    WMZ12A-19D100T102R10004806803.8106
    WMZ12A-16D120T251R2505007002.397
    WMZ12A-11D115T501R5005007001.454

    MZFLY系列的典型应用范围为500 W至50 kW功率范围内的工业电源、变频器以及UPS(不间断电源)系统。在这些应用中,链路电容器用于平整生成的直流电压或者在链路中用作储能装置。

当电容器充电时,通常需要串联一个电阻器来限制充电电流,以免产生超过允许范围的强电流峰值。一般是采用固定式普通电阻或负温度系数(NTC)电阻实现这一功能。在大多数情况下,会在充电之后使用一个由时间或电压控制的继电器来短接限流元件。充电电流的制约对整流器和转换器系统来说非常重要,因为产生的冲击电流峰值如果未得到限制,可能会触发熔丝或使整流器遭受超过允许范围的强电流。图1所示为传统整流器或转换器系统的方块图。



 

如果运行时没有干扰,那么上述普通电阻器和继电器的组合足以限制充电电流。不过,在充电期间或充电后发生的干扰可能会导致这些电阻器彻底失灵,并因此导致系统其它元件的全面故障。

为处理典型故障,比如电容器短路或短路开关失灵,建议使用MZFLY系列自我防护式充电电阻器。在无故障充电中,这些元件的作用就像固定式普通电阻器,可制约充电电流的峰值。当发生故障时,PTC陶瓷的温度和内阻将随加大的欧姆损耗一同增加(见图2),并将电流限定在安全级别。



 相比之下,如果将固定电阻器用作充电电流限制器,上述故障将导致电阻器产生相当高的功率耗损,这会要求元件要有一定大的尺寸,这很不经济。以下特殊实例(见图3)可清楚说明这一功能原理。



 上述电路采用三相桥式整流器,并将其接至相导线电压为400 VRMS的电源中。其中平滑电容器的电容为940 μF。并联电路含有两个WMZ12A-14D130T100R 型充电电阻器,用于限定冲击电流。亦称为零电位电阻器,其额定电阻在25℃的环境温度下为100 Ω。在这种情况下,需要并联两元件:因为电能必须在充电期间内传到电容器,这会使单个WMZ12A-14D130T100R 电阻器开始发热,直至温度高出允许范围,结果便导致电阻大大加强。这一情况应当避免,否则将无法对链路电容器进行彻底充电。

可以使用下面的公式计算出所需MZFLY系列元件的数量:


 如果说元件WMZ12A-14D130T100R 大约有2 J/K的热容,参考温度为130℃,那么既可串联也可并联两元件。满足上述等式可确保PTC陶瓷在充电完毕之前不会超出参考温度,并且维持在低电阻范围内。

当达到电容器95%的极限充电电压时,并联的MZFLY元件将被短路,同时将接入负荷(以260 Ω固定电阻器为代表)。因此两个MZFLY元件构成的并联电路的性能与一个50 Ω的固定电阻相当。有关无故障充电的情况,请参见图4所示电流时间图。


在这两种情况下,充电电流的时间曲线几乎相同。PTC陶瓷与固定电阻在电流特性方面的细微差别的产生原因是:

* PTC热敏电阻的电阻温度特性形状特殊;另外,
* PTC陶瓷在开启时的对电压的依赖性非常强。在计算峰值冲击电流时,一定要考虑电压依赖性。

约过190 ms之后,充电完毕,充电电阻器便会短路。能量吸收曲线以及加热程度同样相差无几(见图5)。二者的最高点均与电容器在短路时的能量相对应。


当发生故障时,PTC热敏电阻用作限流元件的优势就会十分明显。如果继电器接通失败,负荷电流将流经充电电阻器,并产生强大的热应力,这要求电阻器有相应的尺寸。若采用基于PTC陶瓷的充电电阻器,其电阻会由于强大的起始功率损耗而升至数10 k,从而能够在故障发生期间限定电流(参见图6)。在约三秒之后,先流经两电阻器然后流经总体电路的电流已跌至数10 mA。有关吸取能量的比较,请参见图7。


 在进入高阻状态后,PTC陶瓷将能量吸收限定为非关键值,而固定欧姆电阻器的吸收能量则呈直线上升。在该实例中,考虑到温度降额,固定电阻器必须具有200 W以上的额定功率,才能防止过热以及随后的损坏。

故障——电容器在充电开始时发生短路

强大的冲击电流在约150 ms之后使两个自我防护式充电电阻器产生高电阻性,进而限制电流。而流经固定电阻器的电流则仅由极低的电源线电阻进行限定,因此固定电阻器中会产生非常高功率的能量转换。


在短时间内,并联的两个自我防护式充电电阻器与外界达到热平衡,同时由于PTC陶瓷的高电阻值,吸收的能量仅有略微上升。最终产生的能量吸收与图7所示类似。

上述故障——电容器在充电开始时发生短路——表示:充电电阻器上存在极高的负荷。因此,J201充电电阻器需要额外使用一个固定电阻器限定短路电流。不过充电电阻器J202和J204的应用则无需使用固定电阻器作任何额外保护。

  主电路为电压型、交直交能量转换方式的变频器,因整流与逆变电路之间有大容量电容的储能回路,因电容两端电压不能突变的特性,在上电初始阶段,电容器件形同“短路”,将形成极大的浪涌充电电流,会对整流模块很大的电流冲击而损坏,也会使变频器供电端连接的空气断路器因过流而跳闸。

    常规处理方式,是在整流和电容储能回路之间串入充电了限流电阻和充电接触器(继电器),对电容充电过程的控制是这样的:

    变频器上电,先由充电电阻对电容进行限流充电,抑制了最大充电电流,随着充电过程的延伸,电容上逐渐建立起充电电压,其电压幅值达到530V的80%左右时,出现两种方式的控制过程,一为变频器的开关电源电路起振,由开关电源的24V输出直接驱动充电继电器,或由此继电器,接通充电接触器的线圈供电回路,充电接触器(继电器)闭合,当充电限流电阻短接,变频器进入待机工作状态。电容器上建立一定电压后,其充电电流幅度大为降低,充电接触器的闭合/切换电流并不是太大,此后储能电容回路与逆变电路的供电,由闭合的接触器触点供给,充电电阻被接触器常开触点所短接。二是随着电容上充电电压的建立,开关电源起振工作,CPU检测到由直流回路电压检检测电路送来电压幅度信号,判断储能电容的充电过程已经完毕,输出一个充电接触器动作指令,充电接触器得电闭合,电容上电充电过程结束。

变频器常见主电路形式及充电接触器控制电路如下图:



    部分变频器及大功率变频器,整流电路常采用三相半控桥的电路方式,即三相整流桥的下三臂为整流二极管,而上三臂采用三只单向可控硅,用可控硅这种“无触点开关”,代替了充电接触器。节省了安装空间,提高了电路的可靠性。电路形式如下图所示:


   虽然省掉了充电接触器,但工作原理还是一样的,只不过控制电路有所差异。变频器上电期间,先由D1D6整流,R限流为C1C2充电,在充电过程接近结束时,CPU输出SCR1∽SCR3三只可控硅的开通指令,控制电路强制三只可控硅导通,由D1、D2、D3、R构成的上电预充电回路使用作用,SCR1∽SCR3与D4、D5、D6构成三相整流桥,此时可控硅处于全导通状态下,等效于整流二极管。

    可控硅的开通需要两个条件:1、阳极和阴极之间承受正向电压;2、K、G之间形成触发电流回路。电路接在交流输入电源的三个端子上,提供单向可控整流,在三相交流电的三个正半波电压作用期间,若触发电流同时形成,则三只可控硅就能被开通。第一个条件已经自然形成,控制其开通只要提供第二个条件就可以了。

    简单点说,只要在可控硅承受正向电压期间——在交流电压过零处,为可控硅提供一个触发电流(脉冲或直流均可),可控硅即可在交流电的正半波期间良好导通,对输入交流电压进行整流(同二极管一样)。最简单的触发电路,是经一只电阻从阳级引入到G极,在交流电正半波期间(过零点后),为可控硅同步引入触发电流,使可控硅开通。如东远300kW变频器,主电路形式同图三,而触发电路相对简单:



    图四为可控硅触发电路一电路之一,另两路触发电路是一样的。两控硅阳极、阴极两端并联的R45、C30、C31等元件为尖峰电压吸取网络,为可控硅提供过压保护。KA2触点、D15、R44、24R形成触发电流通路,D15的作用是将输入电压半波整流,避免可控硅G、K间承受反向触发电压/电流的冲击,R44、24R为限流电阻,限制峰值触发电流,保护可控硅的安全,R43为PTC消噪电阻,增加可控硅工作的可靠性。

    当CPU发出可控硅接通指令时,继电器KA2得电闭合,输入正半波电压,经D15整流,R44、24R限流,流入可控硅的G极,由K极流出,形成触发电流通路,可控硅开通。电路中的可控硅并不是处于调压的工作区域,导通角最大,处于“全导通整状态”,好像是一只开关器件,只处于导通和截止两个状态,没有移相(调压)第三种状态。这是需要注意的地方。因而控制电路与常规移相控制电路有所不同,相对简单一些。

    再稍复杂一点的可控硅控制电路,如台达37kW变频器可控硅的触发电路,见下图:

 



  由开关电源的一个独立的供电绕组整流滤波后,作为可控硅触发电路的供电电源。控制电路由NE555时基电路、DPH2DQ22DQ3触发脉冲通/断电路,DR三路触发流回路构成。开关电源工作后,NE555时基电路接成多谐振振荡器即得电工作,从3脚输出的振荡脉冲,是否送入后级三个触发回路,取决于CPU的指令控制。CPU的指令信号经由控制排线端子DJ824脚引入到光电耦合器DPH2的输入侧。当光耦输出侧三极管导通时,NE555振荡器的脉冲信号经三极管DQ22DQ3送入后级DR触发电路回路。在CPU发出可控硅开通指令后,DPH2DQ22DQ3三器件一直处于导通状态,将触发脉冲一直加于三只可控硅的GK上,峰值触发电流约为100mA

    另外,在松下、富士小功率变频器机型中,还采用另一形式的主电路结构,来完成对主电路电容器的初始充电控制,这是型号为7MBR35SD120一体化功率模块的内部电路结构图。电路见图六:

   电路的不同之处在于,在三相整流桥之后,增加了一只可控器器件,在端子21、26引脚上须并联充电电阻,在主回路电容上建立起一定的充电电压后,从端子25、26输入触发电流,则可控硅导通,变频器进入待机工作状态。

    控制电路一般是由开关变压器的一个独立的24V绕组,取得控制电路的供电,以取得具有“悬浮地”的控制用电。控制电路多为一振荡电路,提价可控硅器件的脉冲触发电流,振荡电路也不是常规的移相触发电路,而提供高频率/密度的随机触发脉冲,令可控硅处于全导通状态下,此处的可控硅,已高密度触发触冲作用下,已仿佛一只“扳到接通位置”的开关了。这种机型的触发电路,手头并未有实际测绘电路,只能根据电路结构画出简图,以供参考。

变频器的主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分,变频器的主电路大体上可分为两类:

电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器,直流回路的滤波是电容。

电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器,其直流回路滤波是电感。它由三部分构成,将工频电源变换为直流功率的“整流器”,吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”,以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。

现主要介绍电压型变频器结构及原理,电压型变频器主电路包括:整流电路、中间直流电路、逆变电路三部分组,交-直-交型变频器结构见附图1

1)整流电路: VD1~VD6组成三相不可控整流桥,220V系列采用单相全波整流桥电路;380V系列采用桥式全波整流电路。

2)中间滤波电路:整流后的电压为脉动电压,必须加以滤波;滤波电容CF除滤波作用外,还在整流与逆变之间起去耦作用、消除干扰、提高功率因素,由于该大电容储存能量,在断电的短时间内电容两端存在高压电,因而要在电容充分放电后才可进行操作。

3)限流电路:由于储能电容较大,接入电源时电容两端电压为零,因而在上电瞬间滤波电容CF的充电电流很大,过大的电流会损坏整流桥二极管,为保护整流桥上电瞬间将充电电阻RL串入直流母线中以限制充电电流,当CF充电到一定程度时由开关SL将RL短路。

4)逆变电路: 逆变管V1~V6组成逆变桥将直流电逆变成频率、幅值都可调的交流电,是变频器的核心部分。常用逆变模块有:GTR、BJT、GTO、IGBT、IGCT等,一般都采用模块化结构有2单元、4单元、6单元

5)续流二极管D1~D6:其主要作用为:

(1)电机绕组为感性具有无功分量,VD1~VD7为无功电流返回到直流电源提供通道

(2)当电机处于制动状态时,再生电流通过VD1~VD7返回直流电路。

(3)V1~V6进行逆变过程是同一桥臂两个逆变管不停地交替导通和截止,在换相过程中也需要D1~D6提供通路。

6)缓冲电路

由于逆变管V1~V6每次由导通切换到截止状态的瞬间,C极和E极间的电压将由近乎0V上升到直流电压值UD,这过高的电压增长率可能会损坏逆变管,吸收电容的作用便是降低V1~V6关断时的电压增长率。

7)制动单元

电机在减速时转子的转速将可能超过此时的同步转速(n=60f/P)而处于再生制动(发电)状态,拖动系统的动能将反馈到直流电路中使直流母线(滤波电容两端)电压UD不断上升(即所说的泵升电压),这样变频器将会产生过压保护,甚至可能损坏变频器,因而需将反馈能量消耗掉,制动电阻就是用来消耗这部分能量的。制动单元由开关管与驱动电路构成,其功能是用来控制流经RB的放电电流IB。

 

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