1、变频器应用教程（第二版）张燕宾 编著第6章变频器的控制电路第6章变频器的控制电路6.1变频器的控制框图6.2开关电源概述6.3变频器里的开关电源6.4CPU的外围电路6.5电流的检测与保护6.6电压和温度的检测6.7IGBT的驱动电路6.1变频器的控制框图6.1.1控制框图图6-1变频器的控制框图6.1变频器的控制框图1.主控电路2.开关电源3.采样与检测电路4.输入和输出电路5.操作面板(1)显示屏在运行模式下，显示变频器的各种运行数据；在编程模式下，显示功能码和数据码。(2)键盘向变频器发出给定信号和各种操作指令。6.1.2主控电路的任务6.1变频器的控制框图图6-2主控电路的任务1.运算
2、6.1变频器的控制框图2.变换3.判断6.2开关电源概述6.2.1原理与优点1.串联式开关电源(1)晶体管串联稳压电源图6-3串联式开关电源a)晶体管串联稳压电源b)串联式开关稳压电源6.2开关电源概述1)因为变压器T需要铁心，故体积大，重量重。2)晶体管VT工作在放大状态，故功耗大。(2)串联式开关电源1)它不需要降压，省去了变压器。2)晶体管VT工作在开关状态，故功耗小。2.脉冲变压器开关电源图6-4脉冲变压器开关电源a)开关电源的电路b)脉冲的占空比6.2开关电源概述(1)晶体管VT并不直接控制输出电压，而是控制脉冲变压器的原方电压U1。(2)原方电压U1的平均值等于直流电压和脉冲占空比
3、的乘积：(3)脉冲变压器可以有多个二次绕组，这是脉冲变压器开关电源的主要优点，所以，变频器里的开关电源都采用这种方式。6.2.2开关电源基本工况1.脉冲变压器图6-5脉冲变压器a)脉冲变压器b)副方电动势c)原、副方电压6.2开关电源概述(1)当输入脉冲上升，磁通增加时，二次绕组的感应电流必阻碍磁通的增加，二次电流磁通的方向，与一次磁通穿过二次绕组的磁通方向相反，如图6-5b上方所示，由此判断二次电压的极性是上“”、下“-”；(2)当输入脉冲下降，磁通减少时，二次绕组的感应电流必阻碍磁通的减少，二次电流磁通的方向，与一次磁通穿过二次绕组的磁通方向相同，如图6-5b下方所示，由此判断二次电压的极
4、性是上“”、下“”。(3)由此可见，尽管一次电压是单极性的，如图6-5c中之所示，但二次电压却是交变的，如图6-5c中之所示。2.开关电源的工况(1)输入电压是电压较高的直流电压。6.2开关电源概述(2)脉冲变压器的一次电压是被晶体管VT调制过的单极性高压脉冲系列，如图6-6中之所示。(3)脉冲变压器的二次电压是交变的方波电压，其振幅值取决于脉冲变压器的变比(即匝数比)，如图中之所示。图6-6开关电源的工况6.2开关电源概述(4)输出电压脉冲变压器的二次电压经半波整流后，得到单极性的脉冲系列，如图中之所示。6.3变频器里的开关电源6.3.1变频器开关电源的主要特点1.一次电源(1)直流回路供电
5、从变频器内部的直流回路向开关电源提供电源，如图6-7a所示。图6-7变频器开关电源的电源a)直流电路提供b)单独提供c)外部接线6.3变频器里的开关电源(2)单独供电从主接触器KM的前面通过变压器降压后向开关电源供电，如图6-7b所示。2.二次绕组图6-8变频器开关电源的二次绕组6.3变频器里的开关电源(1)PWM自激电源如图中之N2，用于为PWM发生器提供电源。(2)5V电源如图中之N3，用于为CPU提供5V电源，是控制电路中对稳定度要求最高的电源，所以采用形滤波电路，稳定电压的采样电压也由此取出。(3)15V电源如图中之N4和N5，主要用于为频率给定电路提供电源。(4)24V电源各种变频器
6、一般都为用户提供24V电源，以便用作传感器或低压控制电路的电源。(5)驱动电源为IGBT管的驱动电路提供电源。1)上臂驱动电源因为逆变桥上桥臂的三个逆变管分别和输出的U、V、W相连接，如图6-9中之、所示。6.3变频器里的开关电源图6-9变频器的驱动电源2)下臂驱动电源因为逆变桥下桥臂的三个逆变管的发射极都和6.3变频器里的开关电源直流电路的负端N相接，如图中之所示。6.3.2开关电源的稳压1.开关电源的输入电压图6-10开关电源的稳压a)稳压框图b)稳压原理6.3变频器里的开关电源(1)滤波效果差因为变频器的直流电路里只用了简单的电容器滤波，滤波后的电压波纹仍十分明显。(2)输出负载变动电动
7、机的负载率是经常变动的，当电动机的负载率变动时，直流电压UD也将随之波动。(3)过渡过程中的电压波动在电动机加、减速的过程中，直流电压有较大幅度的波动。2.稳压方法3.开关稳压电源的基本构成(1)脉冲变压器用以变换电压的大小。(2)高频开关器件用于使脉冲变压器的一次绕组得到脉冲电压。(3)PWM发生器用于控制脉冲电压的占空比。6.3变频器里的开关电源(4)反馈电路从输出的直流电压中采样，经和基准电压比较后，用于调整脉冲电压的占空比。6.3.3分立元件开关电源示例图6-11分立元件构成的开关电源6.3变频器里的开关电源1.VT2的导通2.VT2的截止3.稳压过程6.3.4开关电源的振荡心片图6-
8、123844振荡心片6.3变频器里的开关电源脚和脚：输入电源端子，最大输入电压为30V，通常为20V左右；脚：输出5V基准电压，其温度稳定性好，常用来为反馈网络和R、C振荡回路提供稳定的电源。脚：振荡器输入端，用于产生能进行脉宽调制(PWM)的振荡脉冲。可通过外接的阻容电路和内部的振荡电路配合，调整振荡频率。脚：电压反馈信号的输入端，其输入信号的大小将调整PWM的占空比。脚：电流反馈信号的输入端，用以进行过电流保护。6.3变频器里的开关电源脚：反馈信号和基准信号比较并放大后的输出信号。脚和脚之间可通过阻容反馈网络，稳定比较放大器的带宽频率和放大倍数。脚：PWM脉冲序列的输出端，用于驱动开关管的
9、控制极。6.3.5振荡心片的激励与保护1.开关电源的激励图6-13振荡心片构成的开关电源6.3变频器里的开关电源2.开关电源的自供电3.开关电源的保护(1)电压保护C3、R7、VD1用于吸收尖峰电压，以防止开关管VT被尖峰电压击穿。(2)电流保护电阻R8是用于电流采样的，当电流过大时，其压降UI将通过R4反映到振荡心片的脚，以便进行保护。6.3.6振荡心片开关电源的稳压1.稳压管(1)稳压管的特性稳压管VS实际上是二极管处于反向击穿状态的特殊应用，其电流-电压特性如图6-14b所示。6.3变频器里的开关电源图6-14稳压管稳压电路a)稳压电路b)稳压管特性6.3变频器里的开关电源(2)稳压管的
10、稳压电路典型的稳压电路如图6-14a所示，导致输出侧电压发生变化的原因有两个方面：一是电源电压变化；二是负载电阻变化。1)电源侧电压变化以电压升高为例，当输入电压UD1升高，引起输出电压UD2也升高时，稳压管吸收的电流IVS迅速增大，使流过电阻RS的电流IS增大，RS上的压降US增加，阻止了UD2的升高，实现了稳压。2)负载侧电阻变化以负载电阻RL减小为例，当RL减小时，电流IL和IS都增大，压降US也增大，导致输出电压UD2下降，稳压管吸收的电流IVS迅速减小，使流过电阻RS的电流IS减小，RS上的压降US也减小，阻止了UD2的下降，实现了稳压。2.可控稳压器件PC6.3变频器里的开关电源图
11、6-15可控稳压管a)集成稳压器件b)电位调节3.开关电源的稳压6.3变频器里的开关电源图6-16振荡心片的稳压电路4.大容量变频器的开关电源6.3变频器里的开关电源图6-17大容量变频器的开关电源(1)一次电路因为开关电源的容量较大，6.3变频器里的开关电源故在高频变压器的一次电路里，用两个功率场效应管VT1和VT2串联，以降低它们的耐压等级和加大允许电流(额定电流大者耐压较低)。(2)驱动电路因为需要同时向两个开关管提供驱动信号，所以，增加了一个较小的变压器T2，其一次绕组接受振荡心片输出的PWM脉冲序列，两个二次绕组则分别向VT1和VT2的栅极提供驱动信号。(3)15V电源由稳压集成电路
12、7815和7915稳压后得到，用于主控板的供电。6.3变频器里的开关电源(4)反馈网络当5V电压偏高时，PC3的电压上升，可控稳压器件PC3的吸收电流IS增大，光耦合器PC2的二极管电流ID增大，输出电流IT也增大，振荡心片PC1的脚得到电压偏高的信号，立即减小脉冲序列的占空比D，将偏高的电压降下来。6.4CPU的外围电路6.4.1概述图6-18CPU的外部接线示例6.4CPU的外围电路1.自身控制电路2.输出正弦脉宽调制信号3.接受模拟量输入信号的电路4.接受开关量输入信号的电路5.输出模拟量信号的电路6.输出开关量信号的电路7.与控制面板的连接电路(1)接受键盘控制信号的电路如图中的脚。(
13、2)控制变频器显示面板的电路如图中的脚。6.4.2CPU的自身控制电路1.时钟电路6.4CPU的外围电路图6-19CPU的晶振电路a)石英晶体b)等效电路c)与CPU相接电路2.复位电路(1)高电平复位CPU中复位端的符号是RST，如图6-20a所示。6.4CPU的外围电路图6-20CPU的复位电路a)高电平有效b)低电平有效(2)低电平复位CPU中复位端的符号是RST，如图6-20b所示。6.4CPU的外围电路6.4.3信号输入电路1.模拟量输入电路图6-21模拟量信号的接受电路a)变频器的模拟量输入b)CPU的接受电路6.4CPU的外围电路(1)电压输入信号因为输入信号的范围大多是010V
14、，而CPU能够接受的电压范围是05V。(2)电流输入信号当跳线选择为电流输入信号时，将使R3和R4并联，它们的合成电阻等于250，当输入电流为20mA时，所得电压正好是5V，其后的电路与电压信号输入时相同。2.开关量输入电路图6-22开关量信号的接受电路a)变频器输入端b)开关量输入电路6.4CPU的外围电路6.4.4信号输出电路1.SPWM脉冲输出图6-23CPU的脉冲输出a)有缓冲电路b)无缓冲电路2.模拟量输出电路6.4CPU的外围电路图6-24模拟量输出电路a)变频器的接线b)模拟量输出3.开关量输出电路6.4CPU的外围电路(1)继电器输出当CPU有信号输出(如在脚)时，晶体管VT1
15、饱和导通，输出继电器KA得电，其触点动作：常闭触点(PBPA)断开，常开触点(PBPC)闭合，如图6-25b的上部所示。图6-25CPU输出开关量a)变频器输出端b)开关量输出电路6.4CPU的外围电路(2)晶体管输出当CPU有信号输出(如在脚)时，晶体管VT2饱和导通，外部低压直流电路就可以用来进行各种控制。6.4.5面板电路1.显示屏电路(1)LED数码管迄今为止，多数变频器的显示屏都由分段式发光二极管数码显示器构成，简称LED数码管。图6-26变频器的显示电路a)LED数码管b)7段数码管电路c)变频器显示电路6.4CPU的外围电路(2)CPU的数码管电路图6-26c是CPU控制数码管的
16、电路，数码管的电源由外部5V电源通过晶体管VT提供，VT受CPU的控制。2.键盘输入电路图6-27键盘输入电路a)键盘b)输入电路6.5电流的检测与保护6.5.1从直流回路采样1.采样电路图6-28从直流回路取出电流信号6.5电流的检测与保护2.缺点6.5.2从输出电路采样1.集成光耦合器(1)采用集成光耦合器的目的从输出电路进行电流采样的目的，是要测量电流的大小，但采样电阻也只能是是毫欧级的，正常运行时，采样所得电压信号不足以使光耦合器的二极管导通。图6-29集成线性光耦合器6.5电流的检测与保护(2)管脚介绍采样所得电压信号从脚和脚输入，经运算放大器放大后，使电流流入线性光耦合器的二极管，
17、光耦合器的输出侧又经运算放大器放大后，从脚和脚输出。脚和脚与输入侧运算放大器的电源相接；脚和脚与输出侧运算放大器的电源相接。输入侧运算放大器和输出侧运算放大器之间是绝缘(隔离)的。(3)集成光耦合器的优点1)因为内部有运算放大器，可以将十分微小的信号进行放大。2)具有线性传输的特点，即，其输出信号和输入信号之间呈线性关系。2.从输出侧采样的电路6.5电流的检测与保护图6-30从输出电路取出电流信号(1)因为电动机是平衡负载，所以，三相电路中，6.5电流的检测与保护只需测量两相电流即可。(2)因为两个电流信号分别属于不同的相，必须可靠隔离。(3)为了提高测量精度，PC1和PC2对电源电压的稳定度
18、要求较高，故电路里采用了集成稳压电路7805以取得更好的稳压效果。(4)光耦合器输出的信号仍较微小，再由运算放大器A1和A2进行线性放大后提供给CPU。6.5.3霍尔元件采样1.霍尔效应图6-31霍尔效应a)霍尔效应b)霍尔效应的应用c)霍尔心片6.5电流的检测与保护2.霍尔传感器图6-32霍尔传感器a)霍尔传感器b)集成霍尔传感器c)大电流测量6.5.4电流检测示例1.电流检测的基本电路6.5电流的检测与保护图6-33利用霍尔传感器的电流测量2.小信号的精密整流6.5电流的检测与保护(1)精密整流的意义变频器中，一方面需要检测的电流主要是输出的交变电流，而控制电路却是直流的。(2)精密整流电
19、路精密整流电路在变频器控制电路里用得较多。图6-34精密整流电路a)正半周b)负半周(3)三相合成信号变频器在进行过电流保护时，6.5电流的检测与保护不论哪一相出现了过载电流，都需要进行保护。图6-35三相半波电流的合成信号3.过电流的判别6.5电流的检测与保护(1)信号的处理由电流检测电路检测到的电流信号uI经运算放大器A1放大后，作为判断的依据。图6-36过电流的判别6.5电流的检测与保护(2)过电流的判别基准电压经R1、R2、R3分压后得到两个较低挡次的电压Ur1、Ur2，分别作为运算放大器A2和A3的比较标准。6.5.4电流检测的扩展1.缺相的判断图6-37缺相的判断6.5电流的检测与
20、保护2.接地的判断(1)三相合成电流图6-38三相合成电流a)矢量图b)瞬时值(2)利用三相合成电流利用上述原理，6.5电流的检测与保护把运算放大器A接成加法器，输入侧输入的是三相的电流信号，如图6-39所示。图6-39利用三相合成电流判断接地6.5电流的检测与保护(3)利用三相合成磁场如图6-40所示，把变频器的三根输出线以同样的方法同时缠绕在同一个霍尔传感器的高频磁心上。图6-40利用三相合成磁场判断接地3.快速熔断器检测6.5电流的检测与保护图6-41快速熔断器熔断的检测6.6电压和温度的检测6.6.1电压的检测1.直接采样图6-42直流电压的直接采样2.间接采样6.6电压和温度的检测图
21、6-43直流电压的间接采样(1)整流并滤波经二极管VD1整流后得到脉冲电压序列u5，6.6电压和温度的检测并由电容器C1滤波后得到直流电压UD5，作为控制电压。(2)只整流不滤波经二极管VD2整流，并经R1和R2分压后，得到脉冲序列u6，图中的C1只有0.1F，并不起滤波的作用。6.6.2温度的检测与保护1.内置热敏电阻图6-44温度的检测电路a)内置热敏电阻b)控制电路6.6电压和温度的检测2.采用温度继电器图6-45采用温度继电器的保护电路a)温度继电器特性b)保护电路6.6电压和温度的检测3.利用风扇的状态信号(1)直流风扇中、小容量变频器中，常配用直流24V或15V的小风扇，由开关电源
22、供电。(2)交流风扇大容量变频器常常配用220V的交流风扇。图6-46利用风扇状态信号的保护电路a)直流风扇电路b)交流风扇电路6.7IGBT的驱动电路6.7.1IGBT的主要技术参数1.主要技术参数(1)击穿电压UCEX是IGBT在截止状态下集电极与发射极之间能够承受的最大电压，如图6-47a所示。图6-47IGBT的主要参数a)截止状态b)饱和导通状态c)开、关时间6.7IGBT的驱动电路(2)漏电流ICEOIGBT在截止状态下的集电极电流，如图6-47a所示。(3)集电极额定电流ICM是IGBT在饱和导通状态下，允许持续通过的最大电流，如图6-47b所示。(4)集电极-发射极饱和电压UC
23、ES是IGBT在饱和导通状态下，集电极与发射极之间的电压降，如图6-47b所示。(5)栅极驱动电压UGE是栅极与发射极之间施加的电压。(6)开通时间与关断时间电流从10%ICM上升到90%ICM所需要的时间，称为开通时间，用tON表示；电流从90%ICM下降到10%ICM所需要的时间，称为关断时间，用tOFF表示，如图6-47c所示。2.变频器运行过程中影响关断时间的因素(1)环境温度6.7IGBT的驱动电路图6-48逆变管直通的原因a)环境温度的影响b)输出电流的影响(2)集电极电流集电极电流越大，关断时间tOFF也越长，6.7IGBT的驱动电路如图6-48b所示。6.7.2IGBT对驱动电
24、路的要求1.IGBT管对驱动电压的要求(1)正向驱动电压UGEUGE大，可减小IGBT管的饱和压降，缩短开通时间。(2)反向偏置电压-UGE虽然当UGE0时，IGBT也能截止，但在关断过程中，C-E间很大的电压变化率dudt容易通过C、G间的结电容反馈到G极，造成误导通。2.基本的驱动电路示例6.7IGBT的驱动电路图6-49基本驱动电路示例a)驱动电路b)驱动电压6.7IGBT的驱动电路3.IGBT对RG的要求(1)饱和导通时的状态如上述，IGBT在饱和导通时，G、E间施加了1218V的驱动电压，这时，CGE将充电，如图6-50a所示。(2)由饱和转为截止当IGBT管由饱和转为截止时，G、E
25、间施加了-15-5V的反向电压，这时，CGE将通过栅极电阻RG放电，如图6-50b所示。图6-50栅极电阻的作用a)饱和导通的情形b)的影响c)太小的后果6.7IGBT的驱动电路(3)RG的影响一方面，RG大，将延长IGBT的开通和关断时间。6.7.3IGBT的集成驱动模块1.EXB系列的驱动模块(1)驱动模块的框图如图6-51a所示。图6-51EXB系列驱动模块a)模块框图b)输出电压6.7IGBT的驱动电路(2)驱动模块的放大(见图6-52)驱动模块需要放大的原因说明如下：IGBT管是电压控制器件，G、E间的输入阻抗很大，吸收信号源的电流很小，所消耗的驱动功率也很小。图6-52驱动模块的放大6.7IGBT的驱动电路(3)驱动模块的过电流保护当电路发生过电流或短路故障时，如果通过电流检测后和基准值进行比较，再由CPU输出保护信号，将为时太晚。图6-53驱动模块的短路保护6.7IGBT的驱动电路2.PC923系列的驱动模块图6-54PC923驱动模块框图3.PC929系列的驱动模块6.7IGBT的驱动电路图6-55PC929驱动模块框图
