【学习笔记】变频器原理

1. 系统框图

说明：
①三相交流电源经过不可控整流单元整流滤波后得到平稳的直流，逆变单元通过PWM调制将直流逆变为频率、幅值可变的三相交流电。
②控制单元通过用户设置、系统给定、编码器反馈、电压电流采样、实时计算产生PWM脉冲波控制逆变单元产生三相交流驱动电机。

2.  主回路拓扑

1）两象限

说明：
①经典的三相六脉波不可控整流+三相两电平电压型逆变器的交-直-交拓扑
②整流侧：整流二极管（或可控硅）；逆变侧：IGBT.
③直流侧：母线电容（包含均压电阻）、直流电抗器（或改为在输入侧加交流电抗器）、制动IGBT.

2）四象限

说明：
①组成：LCL滤波+上电缓冲电路+IGBT整流+电容滤波+IGBT逆变
②L1: 电网侧电抗器，感量较小，与电容C组成LC滤波器，滤除电网高频谐波
③L2: 升级电感器，感量比较大，可控整流时做升压电感用；能量回馈时与电容C组成LC正弦波滤波器，滤除电压、电流谐波；
④电阻R和并联的开关组成上电缓冲电路。

3. 主回路相关单元说明

1）母线电压与母线电流

①整流单元输出的直流母线电压是6倍频波纹（300HZ）
②母线电压：由于整流桥压降、输入交流电抗器或直流电抗器压降
a.        无载时：Udc ≈ 1.414Uin
b.        部分载时：Udc ≈ 1.35Uin
c.        满载时：Udc ≈ 1.32Uin
③再考虑到IGBT压降、最小P≈WM脉冲波丢失、死区时间的影响，在非过调制时，逆变输出电压会比Udc/1.414更低。

2）制动电路（由制动IGBT和制动电阻组成）

①存在原因：当电机减速时，由于机械惯性的原因，转子的实际转速会大于同步转速使得电机工作在发电状态，此时电机能量回馈到变频器，由于二极管整流的单向导电性，这部分能量不能回馈到电网，只能储存在母线电容上，导致母线电压上升，过高的母线电压对电容和IGBT有风险，需要通过制动电阻把这部分能量泄放掉。
②如何实现：当母线电压升到起始制动电压时，由控制单元发出控制信号开通制动IGBT，从而把制动电阻接入直流母线上消耗能量
③电路：

3）母线电容

作用：储能、滤波
①把整流桥整流出来的脉动的母线电压滤成平滑的直流母线电压，给逆变部分提供平稳的电压
②提供IGBT开关时的高频脉动电流

4）电抗器

①种类分为输入电抗器、直流电抗器、输出电抗器
②位置&作用

③直流电抗器和输入电抗器差异
a.        输入电抗器对于变频器的低频传导干扰具有抑制作用，直流电抗器几乎没有
b.        输入电抗器能削弱三相电源电压不平衡导致输入电流不平衡的问题，直流电抗器没有
c.        由于直流电抗器工作时，负载电流是连续的流过直流电抗器，而输入交流电抗器的三个线包是间断地过电流的，所以直流电抗器的利用率要高一点。
d.        在满足同样的谐波电流要求下，输入交流电抗器的成本和体积要比直流电抗器高。

4. 驱动部分电路组成

1）检测电路

①电流检测：输出电流检测、母线电流检测、制动电流检测
中大功率：一般用霍尔，中小功率：用电阻采样（分流器+线性光耦）
②电压检测：母线电压检测
变压器绕组正激采样、高阻隔离、电压传感器
③温度检测：IGBT温度检测
a. 电阻分压形式，直接送到DSP的AD端口
b. 利用IGBT内部的NTC，利用散热器上的NTC
④其他检测：输入缺项检测、继电器吸合检测
输入缺项：a. 通过采样模拟量送ADC,软件判断。b. 通过光耦隔离
继电器吸合：检测缓冲电阻两端的压降。

2）控制电路

①IGBT驱动控制
a. 中小功率：直接光耦驱动。
b. b. 中大功率：由于驱动电流大，一般光耦后加推挽电路，提高驱动能力
②缓冲继电器控制
三极管驱动+普通光耦：缓冲继电器的驱动电源一般是24V~COM或者独立的电源（继电器内部不满足加强电源），要隔离。
③风扇控制
三极管驱动+普通光耦：虽然都是二次侧电源，但风扇电源是24V~COM,DSP过来的信号一般是GND,参考地不同，也要隔离。

3）保护电路

①过流保护：输出硬件过流、母线过流、制动过流、Vce直通保护
通过采样的电流模拟量通过比较电路实现，送到DSP的中断。
②过压保护与过温保护现依靠软件实现

4）接口电路：电源接口、信号接口、扩展接口

5）电源电路：常用供电电源、接触器供电、驱动供电

5. 控制部分电路组成

1）DSP最小系统
DSP及外围：电源、时钟、复位、外扩寄存器
2）信号转换：电平转换电路
3）信号处理
①检测（AI）：输出电流、母线电压、温度
②控制（DO): 驱动、风扇、接触器
③保护（DI）：过流保护、逐波限流、过压保护
4）键盘显示：本机键盘扫描及显示电路
5）对外接口：模拟量（AI、AO）、数字量（DI、DO）、通信接口、调试接口、在线升级
6）电源电路：常用供电电源、对外供电、二次稳压电源、基准电压