西門子變頻器MM420-500/3

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變頻器工作原理

變頻器是把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實現電機的變速運行的設備，其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。對于如矢量控制變頻器這種需要大量運算的變頻器來說，有時還需要一個進行轉矩計算的CPU以及一些相應的電路。這是變頻器修理中變頻器的定義。
   變頻器的分類方法有多種，按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開關方式分類，可以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器；按照工作原理分類，可以分為V/f控制變頻器、轉差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；在變頻器修理中，按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。
       在交流變頻器中使用的非智能控制方式有V/f協調控制、轉差頻率控制、矢量控制、直接轉矩控制等。V/f控制是為了得到理想的轉矩-速度特性，基于在改變電源頻率進行調速的同時，又要保證電動機的磁通不變的思想而提出的，通用型變頻器基本上都采用這種控制方式。V/f控制變頻器結構非常簡單，但是這種變頻器采用開環控制方式，不能達到較高的控制性能，而且，在低頻時，必須進行轉矩補償，以改變低頻轉矩特性。在變頻器修理中，轉差頻率控制是一種直接控制轉矩的控制方式，它是在V/f控制的基礎上，按照知道異步電動機的實際轉速對應的電源頻率，并根據希望得到的轉矩來調節變頻器的輸出頻率，就可以使電動機具有對應的輸出轉矩。矢量控制是通過矢量坐標電路控制電動機定子電流的大小和相位，以達到對電動機在d、q、0坐標軸系中的勵磁電流和轉矩電流分別進行控制，進而達到控制電動機轉矩的目的。通過控制各矢量的作用順序和時間以及零矢量的作用時間，又可以形成各種PWM波，達到各種不同的控制目的。直接轉矩控制是利用空間矢量坐標的概念，在定子坐標系下分析交流電動機的數學模型，控制電動機的磁鏈和轉矩，通過檢測定子電阻來達到觀測定子磁鏈的目的，因此省去了矢量控制等復雜的變換計算，系統直觀、簡潔，計算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。

一、模電和數電的區別

很多剛進入電子行業，自動化行業的人士對模似電子電路和數字電子電路存在一些疑惑，由其是剛進這行的人更是不明了，當然在接觸變頻器維修與維護時肯定要熟悉。

所謂模似電子電路實際是相對數字電子電路而言。

模電：一般指頻率在百兆HZ以下，電壓在數十伏以內的模似信號以及對此信號的分析/處理及相關器件的運用。百兆HZ以上的信號屬于高頻電子電路范疇。百伏以上的信號屬于強電或高壓電范疇。

數電：一般指通過數字邏輯和計算去分析、處理信號，數字邏輯電路的構成以及運用。

數電的輸入和輸出端一般由模電組成，構成數電的基本邏輯元素就是模電中三級管飽和特性和截止特性。

由于數電可大規模集成，可進行復雜的數學運算，對溫度、干擾、老化等參數不敏感，因此是今后的發展方向。但現實世界中信息都是模似信息（光線、無線電、熱、冷等），模電是不可能淘汰的，但就一個系統而言模電部分可能會減少。理想構成為：模似輸入——AD采樣（數字化）——數字處理——DA轉換——模似輸出。

二、運放與比較器區別

運算放大器與比較器在變頻器主控板的控電路中比較常見，它的作用也不用我去形容了，做這行的都比我清楚。

1、    運放可以連接成為比較輸出，比較器就是比較。那么市面上為何單獨出售兩種產品，他們有相同和不同之處是什么呢？

2、    比較器輸出一般是OC便于電平轉換；比較器沒有頻補，SLEW RATE比同級運放大，但接成放大器易自激。

比較器的開環增益比一般放大器高很多，因此比較器正負端小的差異就引起輸出端變化。

3、    頻響是一方面，另處運放當比較器時輸出不穩定，不一定能滿足后級邏輯電路的要求。

4、    比較器為集電極開路輸出，容易輸出TTL電平，而運放有飽和壓降，使用不便。

關于運算放大器與比較器的區別可分為以下幾點：

1、    比較器的翻轉速度快，大約在NS數量級，而運放翻轉速度一般為US數量級（特殊高速運放除外）

2、    運放可以輸入負反饋電路，而比較器不能使用負反饋，雖然比較器也有同相和反相兩個輸入端，便因為其內部沒有相位補償電路，如果輸入負反饋，電路不能穩定工作，內部無相位補償電路，這也是比較器比運放速度快的原因。

3、    運放輸入初級一般采用推挽電路，雙極性輸出，而多數比較器輸出極為集電級開路結構，所以需要上拉電阻，單極性輸出，容易和數字電路連接。

三、肖特基二極管和快恢復二極管又什么區別

快恢復二極管是指反向恢復時間很短的二極管（5us以下），工藝上多采用摻金措施，結構上有采用PN結型結構，有的采用改進的PIN結構。其正向壓降高于普通二極管（1-2V），反向耐壓多在1200V以下。從性能上可分為快恢復和超快恢復兩個等級。前者反向恢復時間為數百納秒或更長，后者則在100納秒以下。

技術系列

過電流保護

在變頻器維修中,過電流保護的對象主要指帶有突變性質的、電流的峰值超過了變頻器的容許值的情形.

由于逆變器的過載能力較差,所以變頻器的過電流保護是至關重要的一環,迄今為止,已發展得十分完善.

一、過電流的原因

1、工作中過電流即拖動系統在工作過程中出現過電流.其原因大致來自以下幾方面:

① 電動機遇到沖擊負載,或傳動機構出現“卡住”現象,引起電動機電流的突然增加.

② 變頻器的輸出側短路,如輸出端到電動機之間的連接線發生相互短路,或電動機內部發生短路等.

③ 變頻器自身工作的不正常,如逆變橋中同一橋臂的兩個逆變器件在不斷交替的工作過程中出現異常。例如由于環境溫度過高，或逆變器件本身老化等原因，使逆變器件的參數發生變化，導致在交替過程中，一個器件已經導通、而另一個器件卻還未來得及關斷，引起同一個橋臂的上、下兩個器件的“直通”，使直流電壓的正、負極間處于短路狀態。

2、升速時過電流 當負載的慣性較大，而升速時間又設定得太短時，意味著在升速過程中，變頻器的工作效率上升太快，電動機的同步轉速迅速上升，而電動機轉子的轉速因負載慣性較大而跟不上去，結果是升速電流太大。

3、降速中的過電流 當負載的慣性較大，而降速時間設定得太短時，也會引起過電流。因為，降速時間太短，同步轉速迅速下降，而電動機轉子因負載的慣性大，仍維持較高的轉速，這時同樣可以是轉子繞組切割磁力線的速度太大而產生過電流。

二、處理方法

1、 起動時一升速就跳閘，這是過電流十分嚴重的現象，主要檢查

① 工作機械有沒有卡住

② 負載側有沒有短路，用兆歐表檢查對地有沒有短路

③ 變頻器功率模塊有沒有損壞

④ 電動機的起動轉矩過小，拖動系統轉不起來

2、 起動時不馬上跳閘，而在運行過程中跳閘，主要檢查

① 升速時間設定太短，加長加速時間

② 減速時間設定太短，加長減速時間

③ 轉矩補償(U/F比)設定太大，引起低頻時空載電流過大

④ 電子熱繼電器整定不當，動作電流設定得太小，引起變頻器誤動作

電壓保護

1、 過電壓保護

產生過電壓的原因及處理方法：

① 電源電壓太高

② 降速時間太短

③ 降速過程中，再生制動的放電單元工作不理想，來不及放電，請增加外接制動電阻和制動單元

④ 請檢查放電回路有沒有發生故障，實際并不放電；對于小功率的變頻器很有放電電阻損壞

2、 欠電壓保護

產生欠電壓的原因及處理方法：

① 電源電壓太低

② 電源缺相；

③ 整流橋故障：如果六個整流二極管中有部分因損壞而短路，整流后的電壓將下降，對于整流器件和晶閘管的損壞，應注意檢查，及時更換。

逆變器件的介紹：

1.SCR和GTO晶閘管

⑴普通晶閘管SCR 曾稱可控硅，它有三個極：陽極，陰極和門極。

SCR的工作特點是，當在門極與陰極間加一個不大的正向電壓（G為+，K為—）時，SCR即導通，負載Rl中就有電流流過。導通后，即使取消門極電壓，SCR仍保持導通狀態。只有當陽極電路的電壓為0或負值時，SCR才關斷。所以，只需要用一個脈沖信號，就可以控制其導通了，故它常用于可控整流。

作為一種無觸點的半導體開關器件，其允許反復導通和關斷的次數幾乎是無限的，并且導通的控制也十分方便。這是一般的“通-斷開關”所*的，從而使實現異步電動機的變頻調速取得了突破。但由于變頻器的逆變電路是在直流電壓下工作的，而SCR在直流電壓下又不能自行關斷，因此，要實現逆變，還必須增加輔助器件和相應的電路來幫助它關斷。所以，盡管當時的變頻調速裝置在個別領域（如風機和泵類負載）已經能夠實用，但未能進入大范圍的普及應用階段。

⑵門極關斷（GTO）晶閘管 SCR在一段時間內，幾乎是能夠承受高電壓和大電流的半導體器件。因此，針對SCR的缺點，人們很自然地把努力方向引向了如何使晶閘管具有關斷能力這一點上，并因此而開發出了門極關斷晶閘管。

GTO晶閘管的基本結構和SCR類似，它的三個極也是：陽極（A）、陰極（K）和門極（G）。其圖行符號也和SCR相似，只是在門極上加一線，以示區別。

GTO晶閘管的基本電路和工作特點是：

①在門極G上加正電壓或正脈沖（開關S和至位置1）GTO晶閘管即導通。其后，即使撤消控制信號（開關回到位置0），GTO晶閘管仍保持導通?？梢姡珿TO晶閘管的導通過程和SCR的導通過程*相同。

②如在G、K間加入反向電壓或較強的反向脈沖（開關和至位置2），可使GTO晶閘管關斷。　用GTO晶閘管作為逆變器件取得了較為滿意的結果，但其關斷控制較易失敗，故仍較復雜，工作頻率也不夠高。而幾乎是與此同時，大功率管（GTR）迅速發展了起來，使GTO晶閘管相形見絀。因此，在大量的中小容量變頻器中，GTO晶閘管已基本不用。但其工作電流大，故在大容量變頻器中，仍居主要地位。

逆變器件的介紹：上次我們向大家介紹了普通晶閘管（SCR）和門極關斷晶閘管（GTO），重要是讓大家了解變頻器中逆變器件是如何工作的，它們起到什么作用！接下來我們講：大功率晶體管（GTR）-大功率晶體管，也叫雙極結型晶體管（BJT）。

1、 變頻器用的GTR一般都是（復合管）模塊，其內部有三個極分別是集電極C、發射極E和基極B。根據變頻器的工作特點，在晶體管旁還并聯了一個反向連接的續流二極管。又根據逆變橋的特點，常做成雙管模塊，甚至可以做成6管模塊。

2、 工作時狀態 和普通晶體管一樣，GTR也是一種放大器件，具有三種基本的工作狀態：

⑴放大狀態 起基本工作特點是集電極電流Ic的大小隨基極電流Ib而變　 Ic=βIb 　式中β------GTR的電流放大倍數。

GTR處于放大狀態時，其耗散功率Pc較大。設Uc=200V，Rc=10Ω，β=50，Ib=200mA（0.2A）　計算如下：Ic= βIb=50*0.2A=10A 　 Uce=Uc-IcRc=(200-10*10)V=100V 　 Pc=UceIc=100*10W=1000W=1KW ?、骑柡蜖顟B Ib增大時，Ic隨之而增大的狀態要受到歐姆定律的制約。當　βIb>Uc/Rc　 時，Ic=βIb的關系便不能再維持了，這時，GTR開始進入“飽和"狀態。而當　Ic的大小幾乎*由歐姆定律決定，即 Ics≈Uc/Rc 　時，GTR便處于深度飽和狀態（Ics 為飽和電流）。這時，GTR的飽和壓降Uces約 為1-5V。

GTR處于飽和狀態時的功耗是很小的。上例中，設Uces=2V，則　 Ics=Uc/Rc=200/10A=20A 　 Pc=UcesIcs=2*20W=40W

可見，與放大狀態相比，相差甚遠。

⑶截止狀態 即關斷狀態。這是基極電流Ib≤0的結果。

在截止狀態，GTR只有很微弱的漏電流流過，因此，其功耗是微不足道的。

GTR在逆變電路中是用來作為開關器件的，工作過程中，總是在飽和狀態間進行交替。所以，逆變用的GTR的額定功耗通常是很小的。而如上述，如果GTR處于放大狀態，其功耗將增大達百倍以上。所以，逆變電路中的GTR是不允許在放大狀態下小作停留的。

3.主要參數

⑴在截止狀態時

①擊穿電壓Uceo和Ucex：能使集電極C和發射極E之間擊穿的小電壓?；鶚OB開路是用　Uceo表示，B、E間接入反向偏壓時用Ucex 表示。在大多數情況下，這兩個數據是相等的。

②漏電流Iceo 和 Icex：截止狀態下，從C極流向E極的電流。B極開路時為 Iceo，B、E間反偏時為 Icex。

⑵在飽和狀態時

① 集電*電流Icm：GTR飽和導通是的大允許電流。

② 飽和壓降Uces：當GTR飽和導通時，C、E間的電壓降。

⑶在開關過程中

① 開通時間Ton：從B極通入正向信號電流時起，到集電極電流上升到0.9 Ics 所需要的時間。

② 關斷時間Toff：從基極電流撤消時起，至Ic下降至0.1 Ics 所需的時間

開通時間和關斷時間將直接影響到SPWM調制是的載波頻率。通常，使用GTR做逆變管時的載波頻率底于2KHz。

4.變頻器用GTR的選用

⑴Uceo 通常按電源線電壓U峰值的2倍來選擇。

Uceo≥2廠2U 　在電源電壓為380V的變頻器中，應有 Uceo≥2廠2U*380V=1074.8V，故選用 Uceo=1200V的GTR是適宜的。

⑵Icm 按額定電流In峰值的2倍來選擇　 Icm≥2廠2 In 　 GTR是用電流信號進行驅動的，所需驅動功率較大，故基極驅動系統比較復雜，并使工作頻率難以提高，這是其不足之處。 今天我告訴大家的是MOSFET以及IGBT

1、 功率場效應晶體管（POWER MOSFET） 它的3個極分別是源極S、漏極D和柵極G

其工作特點是，G、S間的控制信號是電壓信號Ugs。改變Ugs的大小，主電路的漏極電流Id也跟著改變。由于G、S間的輸入阻抗很大，故控制電流幾乎為0，所需驅動功率很小。和GTR相比，其驅動系統比較簡單，工作頻率也比較高。此外，MOSFET還具有熱穩定性好、安全工作區大 等優點。

但是，功率場效應晶體管在提高擊穿電壓和增大電流方面進展較慢，故在變頻器中的應用尚不能居主導地位。

2、 絕緣柵雙極晶體管（IGBT） IGBT是MOSFET和GTR相結合的產物，是柵極為絕緣柵結構（MOS結構）的晶體管，它的三個極分別是集電極C、發射極E和柵極G。

工作特點是，控制部分與場效應晶體管相同，控制信號為電壓信號Uge,輸入阻抗很高，柵極電流I≈0，故驅動功率很小。而起主電路部分則與GTR相同，工作電流為集電極電流I。

至今，IGBT的擊穿電壓也已做到1200V，集電*飽和電流已超過1500A，由IGBT作為逆變器件的變頻器容量已達到250KVA以上。

此外，其工作頻率可達20KHZ。由IGBT作為逆變器件的變頻器的載波頻率一般都在10KHZ以上，故電動機的電源波形比較平滑，基本無電磁噪聲。

在變頻器工作時，流過變頻器的電流是很大的, 變頻器產生的熱量也是非常大的，不能忽視其發熱所產生的影響

通常，變頻器安裝在控制柜中。我們要了解一臺變頻器的發熱量大概是多少. 可以用以下公式估算: 　 發熱量的近似值= 變頻器容量（KW）×55 [W]

在這里, 如果變頻器容量是以恒轉矩負載為準的 (過流能力150% * 60s)

如果變頻器帶有直流電抗器或交流電抗器, 并且也在柜子里面, 這時發熱量會更大一些。 電抗器安裝在變頻器側面或測上方比較好。

這時可以用估算: 變頻器容量（KW）×60 [W]

因為各變頻器廠家的硬件都差不多, 所以上式可以針對各品牌的產品.

注意： 如果有制動電阻的話，因為制動電阻的散熱量很大， 因此安裝位置和變頻器隔離開， 如裝在柜子上面或旁邊等。

那么, 怎樣才能降低控制柜內的發熱量呢?

當變頻器安裝在控制機柜中時，要考慮變頻器發熱值的問題。

根據機柜內產生熱量值的增加，要適當地增加機柜的尺寸。因此，要使控制機柜的尺寸盡量減小，就必須要使機柜中產生的熱量值盡可能地減少。

如果在變頻器安裝時，把變頻器的散熱器部分放到控制機柜的外面，將會使變頻器有70%的發熱量釋放到控制機柜的外面。由于大容量變頻器有很大的發熱量，所以對大容量變頻器更加有效。

還可以用隔離板把本體和散熱器隔開, 使散熱器的散熱不影響到變頻器本體。這樣效果也很好。　注意：變頻器散熱設計中都是以垂直安裝為基礎的，橫著放散熱會變差的!

冷卻風扇

一般功率稍微大一點的變頻器， 都帶有冷卻風扇。同時，也建議在控制柜上出風口安裝冷卻風扇。進風口要加濾網以防止灰塵進入控制柜。 注意控制柜和變頻器上的風扇都是要的，不能誰替代誰。

其他關于散熱的問題

在海拔高于1000m的地方，因為空氣密度降低，因此應加大柜子的冷卻風量以改善冷卻效果。理論上變頻器也應考慮降容，1000m每-5%。但由于實際上因為設計上變頻器的負載能力和散熱能力一般比實際使用的要大， 所以也要看具體應用。 比方說在1500m的地方，但是周期性負載，如電梯，就不必要降容。

2。 開關頻率：變頻器的發熱主要來自于IGBT， IGBT的發熱有集中在開和關的瞬間。 因此開關頻率高時自然變頻器的發熱量就變大了。 有的廠家宣稱降低開關頻率可以擴容， 就是這個道理。

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