西門(mén)子6SE70變頻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

袁波

【摘 要】 本文主要介紹了西門(mén)子6SE70變頻器的變頻調(diào)速的各個(gè)單元的原理，功能以及各單元之間的相互關(guān)系。西門(mén)子6SE70變頻器的整流單元、濾波單元、逆變單元、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元、控制單元等為了滿足電磁兼容、信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、散熱、大功率輸出等要求，而采用的各種技術(shù)手段及PWM技術(shù)在6SE70變頻器中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】 變頻器 SCR IGBT PMW

交流變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展至今已有幾十年的歷史。低壓變頻器構(gòu)成的交流調(diào)速系統(tǒng)，因其技術(shù)上的不斷創(chuàng)新，使系統(tǒng)在性能上不斷地完善，并在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域性能優(yōu)于直流調(diào)速系統(tǒng)，已得到了廣泛的應(yīng)用。本文簡(jiǎn)要對(duì)西門(mén)子6SE70變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖析。

1 電路結(jié)構(gòu)框圖

變頻器主要由整流單元（SCR整流橋）、濾波單元、逆變單元（IGBT橋）、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元、控制單元等部分組成的。（圖1）

2 各單元電路及原理

2.1 整流單元

整流單元用于電網(wǎng)的三相交流電變成直流?？煞譃榭煽卣骱筒豢煽卣鲀纱箢?lèi)?？煽卣饔捎诖嬖谳敵鲭妷汉休^多的諧波、輸入功率因數(shù)低、控制部分復(fù)雜、中間直流大電容造成的調(diào)壓慣性大相應(yīng)緩慢等缺點(diǎn)，隨著PMW技術(shù)的出現(xiàn)可控整流在交直交變頻器中已經(jīng)被淘汰。不可控整流是目前交直交變頻器的主流形式，西門(mén)子變頻器主要采用6支晶閘管組成的三相整流橋。6支晶閘管構(gòu)成的三相橋式整流電路，晶閘管只用于控制通斷不控制直流電壓的大小。

2.2 濾波單元

濾波單元主要采用大電容濾波，直流電壓波形比較平直，在理想情況下是一種內(nèi)阻抗為零的恒壓源，輸出交流電壓是矩形波或階梯波；當(dāng)負(fù)載發(fā)電時(shí)，濾波單元可以吸收直流母線上的電壓，緩沖對(duì)上游整流單元的沖擊。

2.3 逆變單元

逆變單元由6個(gè)IGBT模塊構(gòu)成，IGBT模塊中內(nèi)置反并聯(lián)續(xù)流二極管，用于反饋電動(dòng)機(jī)制動(dòng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的能量到直流母線。

2.4 制動(dòng)單元

制動(dòng)單元由IGBT和能耗電阻組成。當(dāng)電動(dòng)機(jī)由電動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)入制動(dòng)運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)，其能量通過(guò)逆變電路中的反饋續(xù)流二極管流入直流中間回路，使直流電壓升高而產(chǎn)生過(guò)電壓，這種過(guò)電壓稱(chēng)為泵升電壓。為了限制泵升電壓給直流側(cè)電容并聯(lián)一個(gè)由電力晶體管和能耗電阻組成的泵升電壓限制電路。當(dāng)泵升電壓超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，使IGBT導(dǎo)通，把電動(dòng)機(jī)反饋的能量消耗在電阻上。當(dāng)西門(mén)子6SE70變頻器直流母線電壓高于967VDC時(shí)，制動(dòng)單元被激活。

2.5 驅(qū)動(dòng)單元

驅(qū)動(dòng)單元根據(jù)控制單元的指令對(duì)IGBT進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電路有多種形式，按照驅(qū)動(dòng)電路元件的組成可分為分立元件組成的驅(qū)動(dòng)電路和集成化的驅(qū)動(dòng)電路。西門(mén)子6SE70工業(yè)變頻器采用了分立元件驅(qū)動(dòng)電路，每個(gè)IGBT對(duì)應(yīng)一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路。

2.6 檢測(cè)單元

控制系統(tǒng)反饋量檢測(cè)的精確程度，從某種意義上說(shuō)，很大程度上決定了控制系統(tǒng)所能達(dá)到的控制品質(zhì)。檢測(cè)電路是變頻調(diào)速系統(tǒng)的重要組成部分，它相當(dāng)于系統(tǒng)的“眼睛和觸覺(jué)”。檢測(cè)與保護(hù)電路設(shè)計(jì)的合理與否，直接關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和控制精度。

電流信號(hào)檢測(cè)的結(jié)果可以用于變頻器轉(zhuǎn)矩和電流控制以及過(guò)流保護(hù)信號(hào)。西門(mén)子采用霍爾傳感器檢測(cè)電流信號(hào)，它具有精度高、線性好、頻帶寬、響應(yīng)快、過(guò)載能力強(qiáng)和不損失測(cè)量電路能量等優(yōu)點(diǎn)。

電壓信號(hào)檢測(cè)的結(jié)果可以用于變頻器輸出轉(zhuǎn)矩和電壓控制以及過(guò)壓、欠壓保護(hù)信號(hào)。電壓信號(hào)的檢測(cè)可用電阻分壓、線性光耦、電壓互感器或霍爾傳感器等方法。西門(mén)子采用的線性光耦法是一種測(cè)量變頻器交流輸出電壓的簡(jiǎn)單而有效的方法。高速數(shù)字光耦具有體積小、壽命長(zhǎng)、抗干擾性強(qiáng)、隔離電壓高、高速度等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)信號(hào)處理和信號(hào)傳輸中應(yīng)用的十分廣泛，可用來(lái)檢測(cè)變頻器交流輸出電壓。

2.7 控制單元

在交流變頻器中使用的非智能控制方式有V/f協(xié)調(diào)控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。西門(mén)子6SE70變頻器根據(jù)使用的場(chǎng)合的差異可以靈活的選擇控制方式，在鉆井行業(yè)中，為了滿足精度控制大負(fù)載，懸停等要求，而采用了矢量控制方式。

矢量控制是通過(guò)矢量坐標(biāo)電路控制電動(dòng)機(jī)定子電流的大小和相位，以達(dá)到對(duì)電動(dòng)機(jī)在坐標(biāo)軸系中的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進(jìn)行控制，進(jìn)而達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。

3 PWM（Pulse Width Modulation）控制——脈沖寬度調(diào)制技術(shù)

通過(guò)控制逆變器中的IGBT導(dǎo)通或斷開(kāi)，使其輸出端獲得一系列寬度不等的矩形脈沖波形，而決定開(kāi)關(guān)器件動(dòng)作順序和時(shí)間分配規(guī)律的控制方法繼稱(chēng)脈寬調(diào)制方法。改變矩形脈沖的寬度可以控制逆變單元輸出交流基波電壓的幅值，通過(guò)改變調(diào)制周期可以控制其輸出頻率，從而在逆變單元上可以同時(shí)進(jìn)行輸出電壓幅值與頻率的控制，滿足變頻調(diào)速對(duì)電壓與頻率協(xié)調(diào)控制的要求。PWM技術(shù)簡(jiǎn)化了變頻器的結(jié)構(gòu)，提高了電網(wǎng)的功率因數(shù)，加快了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，使負(fù)載電機(jī)可在近似正弦波的交變電壓下運(yùn)行，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，大大擴(kuò)展了拖動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速范圍，并提高了系統(tǒng)的性能。

作為一個(gè)變頻設(shè)備的使用人員，知曉變頻原理和結(jié)構(gòu)，在變頻器出現(xiàn)故障的時(shí)候，才不至于手忙腳亂；雖然西門(mén)子6SE70變頻器已經(jīng)停產(chǎn)，但是還是有很多平臺(tái)使用這種變頻器。同時(shí)，熟悉了6SE70變頻器，對(duì)掌握西門(mén)子S120變頻器也大有裨益。

參考文獻(xiàn)：

[1]ABB公司電氣傳動(dòng)手冊(cè).

[2]西門(mén)子電氣傳動(dòng)手冊(cè).

[3]陳伯時(shí)主編.電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.9（第2版）.

[4]李華德主編.電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)（運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)）.北京：電子工業(yè)出版社，2006.12.