西門子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。本文簡要對(duì)西門子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。可分為可控整流和不可控整流兩大類。可控整流由于存在輸出電壓含有較多的諧波、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)生過電壓，這種過電壓稱為泵升電壓。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 檢測單元

控制系統(tǒng)反饋量檢測的精確程度，從某種意義上說，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”。檢測與保護(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)檢測的結(jié)果可以用于變頻器轉(zhuǎn)矩和電流控制以及過流保護(hù)信號(hào)。西門子采用霍爾傳感器檢測電流信號(hào)，它具有精度高、線性好、頻帶寬、響應(yīng)快、過載能力強(qiáng)和不損失測量電路能量等優(yōu)點(diǎn)。

電壓信號(hào)檢測的結(jié)果可以用于變頻器輸出轉(zhuǎn)矩和電壓控制以及過壓、欠壓保護(hù)信號(hào)。電壓信號(hào)的檢測可用電阻分壓、線性光耦、電壓互感器或霍爾傳感器等方法。西門子采用的線性光耦法是一種測量變頻器交流輸出電壓的簡單而有效的方法。高速數(shù)字光耦具有體積小、壽命長、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，可用來檢測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。西門子6SE70變頻器根據(jù)使用的場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)

通過控制逆變器中的IGBT導(dǎo)通或斷開，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)掌握西門子S120變頻器也大有裨益。

參考文獻(xiàn)：

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