变频器工艺说明

变频器工艺说明

本变频器工艺说明主要参照中华人民共和国国家标准GB/T 12668.4-2006/IEC 61800-4:2002，即调速电气传动系统第4部分：一般要求交流电压1000V以上但不超过35kv的交流调速电气传动系统额定值的规定。

一.变频器工作原理

1.变频器的基本原理

变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。

现在使用的变频器主要采用交-直-交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成交流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。

变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。

变频器的功用是将频率固定（通常为工频50Hz）的交流电（三相的或单相的）变换成频率连续可调（多数为0~400Hz）电压可调的（三相或单相）交流电源。变频过程中只有频率变化，电能不发生变化。

2.变频器的类型

（1）按变换环节可分为：

①交-直-交变频器：先把工频交流通过整流器变成直流，然后再把直流变换成频率电压可调的交流，又称间接式变频器，是目前广泛应用的通用型变频器；

②交-交变频器：将工频交流直接变换成频率电压可调的交流，又称直接式变频器。

（2）按直流电源性质可分为：

①电压型变频器：其特点是中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓冲，直流电压比较稳定，直流电环内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器，常选用于负载电压变化较大的场合；

②电流型变频器：其特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节，缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压接近正弦波，由于该直流内阻较大，故称电流源型变频器（电流型）。电流型变频器的优点是能扼制负载电流频率而急剧的变化。

常选用与负载电流变化较大的场合。

（3）按工作原理可分为：

①V/f控制变频器；

②转差频率控制变频器；

③矢量控制变频器。

（4）按开关方式可分为：

①PAM控制变频器；

②PWM控制变频器；

③高载频PWM控制变频器。

（5）按用途可分为：

①通用变频器；

②高性能专用变频器；

③高频率变频器；

④单相变频器；

⑤三相变频器等。

（6）按变频器调压方法可分为：

①PAM变频器：通过改变电压源Ud或电流源Id的幅值进行输出控制的。

②PWM变频器：在变频器输出波形的一个周期产生的脉冲波的脉冲，其等值电压为正弦波，波形较平滑。

（7）按工作原理可分为：

①U/f控制变频器（VVVF控制）；

②SF控制变频器（转差频率控制）；

③VC控制变频器（Vectory Control矢量控制）。

（8）按电压等级可分为：

①高压变频器（输入电压为3kv、3.3kv、6kv、10kv等）；

②中压变频器（输入电压为690V1140V、2300V等）；

③低压变频器（输入电压不高于690V，常见的由110V、220V、380V）。

3.变频器的保护功能

为了防止变频器本身和三相异步电动机损坏，使变频器能停止工作或者有效

地抑制电压、电流值，变频器的保护回路设置了多种保护功能失速。

（1）过压保护

过压保护又分为电源过电压、再生过电压。电源过电压是对于电源电压的上限，一般规定不能超过额定电压的10%，当电源线电压为380V时，其上限值为420V。当变频器输入电源电压发生冲突，电压急剧升高，变频器对直流母线电压进行实时检测，达到保护值时进行OU保护。再生过电压一般是变频器停车时、减速太快、电动机回馈能量使PN电压急剧升高引起。此保护采用变频器使电动机快速减速时，再生功率直流电路电压将升高，有时超过允许值，可采取停止变频器运转或停止快速减速的办法，防止过电压。

（2）欠压保护

当电源电压太低，电源瞬时停电，电网容量太小或电网内有较大的冲击电流。（3）电流限幅保护

当变频器执行加速运行时，由于加速过快或电机负载过大，变频器输出电流会急速上升，若电流过大，则自动降频，以保证不跳过流，当电流低于标准时，频率回升到设定值。

（4）过流及瞬时过电流保护

在正常工作或是在升、降速过程中，短时间的过电流总是难免的。为此变频器配置了防止跳闸的功能，只有当冲击电流的峰值太大时，才迅速跳闸。由于逆变器负载侧短路等，流过逆变器元件的电流达到异常值（超过允许值）时，瞬时停止变频器运转，切断电源。

(5)过载保护

当负载过大或造成电动机堵转使逆变器输出电流超过保护值，且持续流通达规定的时间以上时，为了防止逆变器元件、电线等损坏，变频器会停止变频器运转。

（6）电子热继电器

为防止自冷式电机在低速运转时发生电机过热现象，通过电子热继电器进行校正，当电机特性变化不大而电机容量变化时（比变频器额定容量变小），也可用此功能进行修正，以达到保护电机的目的。

（7）过热保护

因为环境温度过高、冷却风扇不运转或载波频率过大，都会使变频器在运行过程中能量损耗和散热通风不畅。所以过热保护可以分为风扇运转保护、逆变模块散热板的过热保护、制动电阻过热保护。风扇运转保护是变频器的内装风扇是箱体内部散热的主要手段，它将保证控制电路正常工作。逆变模块是变频器内发生热量的主要部件，也是变频器中最重要而又最脆弱的部件，所以对于逆变模块散热板也要施加过热保护。制动电阻过热保护主要是针对于制动电阻一旦通电时间过长，应暂停使用，待冷却后再用。 （8）过压失速

变频器减速时，由于电机负载惯量的影响，电机会产生很高的回馈电压至变频器内部，导致直流侧电压升高或超过允许最大值，此时变频器停止减速（输出频率保持不变），直到直流侧电压低于设定值，变频器才会再执行减速。

二．变频器的结构

主回路

交直回路

整流回路

滤波回路

限流回路直交回路

逆变回路

续流回路吸收回路

能耗制动回路

外部接线

输入侧

切换电流输出侧

控制回路

内部控制

回路

主控板

电源板

驱动板外部控制回路

外接给定电路

外接输入电路外界输出电路

键盘

图2.1 变频器结构图

变频器由主回路和控制回路构成。其中主回路是一个交-直-交结构。控制回路是整个变频器的核心，发出各种指令以使变频器有不同的响应和动作。具体构成如图2.1所示。 1.主回路

1.1交-直回路部分

（1）整流电路

由整流管组成三相整流桥，将电源的三相交流全波整流成直流。如电源的线电压为UL，则三相全波整流后平均直流电压Ud 的大小是Ud=1.35UL。

（2）滤波电路

利用电容滤平全波整流后的电压纹波，当负载变化时，使直流电压保持平稳。（3）限流电路

利用限流电阻限流，因为变频器在上电瞬间，电解电容的充电电流很大，为了防止过大的冲击电流损坏主电容和整流桥，电路内串入限流电阻，其作用是将电容的充电电流限制在允许的范围以内。

整流回路

图2.2 主回路原理图

1.2直-交回路部分

（1）逆变电路

利用逆变管组成逆变桥，把整流所得的直流电，再“逆变”成频率可调的交流电。这是变频器实现变频的具体环节，因而是变频器的核心部分。

（2）续流电路

利用续流二极管实现。其主要功能是：

①因为电动机的绕组是电感性的，其电流具有无功分量。为无功电流返回直流电源时提供“通道”。

②当频率下降、电动机处于再生制动状态时，再生电流返回给直流电路。

③在逆变过程中，同一桥臂的两个逆变管，处于不停地交替导通和截止的状

态。在交替导通和截止的换相过程中，需要它提供通路。 1.3能耗制动电路 （1）制动电阻

电动机在工作频率下降过程中，将处于再生制动状态，拖动系统的机械能转换成电能回馈到直流电路中，使直流电压Ud 不断地上升，甚至可能达到危险的地步。利用制动电阻来消耗这部分回馈电压，使Ud 保持在允许范围内。 （2）制动单元

制动单元Vb 由单颗IGBT 及其驱动电路构成。其功能是为放电电流Ib 流经Rb 提供通路。 1.4外部接线

如下图2.3所示，变频器的输入端接至频率固定的三相交流电源；输出端输出的是频率在一定范围内连续可调的三相交流电，接至电动机。

R

S T

三相输入电源380V

图2.3 外部接线图

2.控制回路 2.1内部控制回路

（1）控制板：顾名思义，它控制着整个变频器信号的运作, 通过中央处理器发出各种工作信号和各种警示信号，发出各种运行指令和保护指令，以使变频器功能实现。

（2）键盘

①显示分为待机参数显示、运行数据显示、故障、保护显示。 在待机状态下查找参数。在运行状态下，显示各种运行数据，如频率、电流、电压。当变频

器出现故障显示跳保护参数。

②操作通过键盘可以实现变频器的正转，反转，停车以及一些参数的修改，方法。

（3）电源板：电源板的作用是为整个变频器内部的元器件提供工作电源，以满足元器件的工作。

（4）驱动板:当驱动板接收到CPU的驱动信号后，开始驱动，以使IGBT实现逆变效果。

2.2外部控制电路

（1）外接给定电路

①开关状态控制

②脉冲信号控制

（2）外接输入控制电路：外部的控制信号通常是由开关来传递的。控制开关的通、断信息，通过变频器输入电路的光耦合器而传递到内部的控制电路中。（3）外部输出控制电路：一种是内部继电器的触点；另一种是晶体管的集电极输出。

3.制动单元

（1）制动单元（BRAKE UNIT）主要用在变频器需急降速、刹车、定位的场合，变频器在降速时，由于负载惯性的关系，急降速时会将动能变成电能储存在直流母线上，因此必须使用本制动（电阻）器将回生电压予以消耗，否则变频器将会跳过压保护或故障。

（2）一般适用于离心机、洗衣机、天车、电梯、纺织机械、造纸机械、伸线机械（拉丝机）、绕线机、制药、比例联动系统中均可使用。

（3）其他方面

①适用于各种品牌的变频器；

②规格齐全200V/380V/440V/480V；

③容量范围大，单台可使用到110KW（400V）；

④允许并联使用，没有容量限制；

⑤允许在电网变动大的场合使用；

⑥保护齐全：具有短路、低电压、过电压、快速保险丝、过热等保护功能；

⑦性能价格比佳；

⑧功率电阻为选用件；

⑨可订制电阻箱。

4.变频器中的电阻

（1）功率电阻：上电瞬间起限流作用，之后被继电器常开触点短路。

（2）均压电阻：分别与两主电容并联，使两主电容分得电压相等。

（3）驱动电阻：根据模块的不同进行选择。

（4）热敏电阻：在一定温度范围内，随着温度变化阻值也会相应变化，所以可用来测量IGBT的温度。

（5）压敏电阻：起过电压防护作用。常用的压敏电阻有14D471K(220V机器使用)，14D821K（380V机器使用，现已不用），14D102K（380V机器使用），20D510E（适用于2N4及以上机型）。压敏电阻两引脚间要点胶，以改善在恶劣环境下的绝缘性能。

三.变频器的特点

变频器应用先进的空间电压矢量PWM控制技术、矢量控制技术，采用高性能的功率模块和先进的变频器制造工艺，无论是简单的变频控制还是高性能的伺服应用。

（1）采用DSP（数字信号处理器）为核心的控制单元，实现高速高性能控制；

（2）集V/F控制、V/F+PG控制、矢量控制+PG三种控制功能为一体；

（3）三种空间电压矢量波形产生方式；

（4）死区补偿功能，实现低频率大输出转矩；

（5）自动转差补偿；

（6）十种频率设定方式，模拟端子可以接受0～10V、0～20mA之内的自定义范围信号；

（7）可实现最多七段速度和八段加速度控制；

（8）转速追踪启动和断电再恢复运行功能；

（9）强大的通讯功能，支持标准的RS485与Can Bus，同时提供远控键盘功能；

（10）人性化显示菜单，中文液晶显示，配以LED显示，同时显示3个状态参数；

（11）特有逆变模块（IGBT）温升监控功能，风扇调节可控，适时降低电机噪音和温升；

（12）PID调节的直流电流制动；

（13）高效的故障查询与记录功能，方便排除故障；

（14）在三相交流永磁同步电机控制中表现同样出色。

四.变频器的生产流程

简单的来讲，变频器的生产过程分为PCB板的制板过程和整机生产过程两部分：

（1）PCB板加工过程：1、板加工；2、一次测板；3、老化；4、测板PQC。（2）整机加工过程：1、装配过程；2、PQC检验过程；3、调试；4、老化；

5、FQC检验过程；

6、包装过程；

7、OQC检验。

图4.1 生产流程图

因为生产过程的每个环节均经过严格的品质检验，所以确保了整个生产过程是一个受控的过程，保证了产品的质量。

1.PCB板制板流程

图4.2 PCB板制板流程图

1.1板加工

目前采用外加工和内加工两种方式：

（1）外加工

提供光板、物料及相关的清单，外加工人员通过表面组装技术（SMT）来完成大部分的元器件焊接。由于此种方法工艺先进，成本较低，所以目前为止，PCB 板的大部分元器件都采用外加工的方式完成。

（2）内加工

电子组人员手工完成，在外加工的基础上补充缺少元器件、参数和部分IC。这种方式相对来讲效率较低、成本较高。

①加工内容及方法

由于目前PCB板插件和贴片同时存在，所以其作业程序将按先贴片后插件的原则，按板器件清单对所需的贴片器件及IC类器件等进行焊贴。通过作业程序化，保证插件及贴片的正确性及PCB板渗锡的质量，提高制板的工艺。加工方法如下：1）元器件整形；2）排版；3）插件；4）核查；5）渗锡；6）剪脚；7）修整；8）焊点核查；9）短路核查；10）全面清理PCB板正反面上所有的焊渣及锡珠。

②焊接注意事项

要注意过程中工具使用和铬铁的使用，防止虚焊、漏焊、拉尖、针孔、未透锡等现象存在。

1.2一次测板

通过测试保证各电路正常工作以及键盘的正常显示和使用，主要检测对象为主控制板、电源板、键盘等。通电前应对PCB板进行常规核查，如有无锡渣短路和虚焊、假焊等现象。

（1）主控板测试

①内显参数的设定：如额定电压、电流、机型送样及载波频率等选择。

②保护功能的检测：如“LU”、“OU”、“OL”、“OC”、“OH”等。

③端子功能：通过选择不同的运行方式，使端子台达到不同的控制的目的，如正反转、寸动等。

④波形测试：六路驱动波形

⑤其他测试：制动功能的测试；对含内显的主控板检查显示是否正常，对内外控制转换开关要进行核查。

（2）电源板测试

①电源测试：对开关电源所输出的不同等级的电压进行检测，是否达标。

②波形测试：利用示波器对电源板上集成驱动电路进行驱动电压及驱动波形测试。

③残压测试：使用信号发生器检测残压功能。

（3）键盘测试：外观很好，上电后显示正常，无乱码、缺笔等现象，各按键灵敏，保证各功能键正常工作。

1.3PCB板老化

通过对PCB板的老化，检测其元器件的稳定性能，一般老化时间为24小时。

1.4测板PQC

采用上述一次测板同样的方法对老化之后的PCB板再次检测，确保各元器件的可靠性和耐高温老化特性。

2.整机生产过程流程

图4.3 整机生产流程图

2.1装配作业流程

（1）小件加工

小件加工是整机装配的预备工作，生产过程中的一些小件需要加工之后，才能进行整机装配，小件加工主要由以下几个方面：

风扇加工；电容板或电容组合加工；IGBT转接板；继电器加工；变压器加工；突波板的加工；充电电阻的组件；水泥电阻的联接；各种线材的加工等。（2）整机装配

图4.4 整机装配流程

所有机器均可采用如下的安装流程：

①主回路的安装

图4.5主回路安装流程

②控制回路的安装

图4.6 控制回路安装流程

3.PQC检验过程

在装配过程中,PQC要负责现场的巡检、专检和抽检。掌握好检验时机和方法，对生产的产品进行严格检查，包括一些小件加工、半成品检查、整机检查等。检验项目分为：

（1）小件加工检验

小件加工的检验分目视检查和仪表测量,其中小件加工检验主要由以下内容：

风扇组合及焊接检验；电容板焊接或电容组合检验；IGBT转接板焊接检验；继电器接线检验；变压器焊接检验；突波板焊接检验；充电电阻的组件检验；水泥电阻的联接检验；各种线材的加工的检验等。

（2）整机装配检验

（3）调试

整机调试目的是通过改变各检测电路参数，达到显示值或保护与实际值吻合。

①一般检验：机箱内是否有异物，实物、物料清单与《产品档案》填写是否一致，主器件的连接是否正确。

②空载检验：输入电压显示值调整：使显示值和实际值相同。

③负载检验：输出电流值、“OC”值调整对不同机型和不同系列的机器电源的保护参数都相应的有所变动。输出电流值属于一般过载，“OC”值属于过电流，具体作业程序参阅相应的文件。

④其他测试：掉电追踪测试、能耗制动测试以及一些内外接键盘测试等等。（4）整机老化过程

经调试合格后的机器由老化人员负责老化。

（5）FQC检验过程

FQC是负责最终检验的环节，是为了验证调试人员对各参数的整定是否符合要求，并相应的对内部参数按出厂要求进行设置，保证整机性能及保护功能正常。

①一般检验、外观和铭牌标签。

②空载检验“电压显示值的验证。

③负载检验输出电流值、“OC”值的验证。

④其他检验掉电追踪的验证、能耗制动的验证。

⑤以上参数验证无误后，进行累计时间清零及控制方式的选择。

⑥贴合格证及防伪标签，整理及记录相关参数。

（6）包装

包装环节面临着机器的出厂，直接面向于客户，所以作为包装人员一定要认真仔细，注意外观质量。

①根据机型和外观尺寸的大小选择对应的包装箱，待FQC检验合格后进行包装，并核查是否有FQC检验标识。

②对一些特殊出货的机器（如出国外的、出山宇或者客户特殊说明的）进行特殊包装。

（7）OQC检验过程

OQC是整机生产的最终环节，核查所有环节档案填写是否正确，以使产品档案起到实质性的作用，便于日后工作的可追溯性。

五.变频器的生产工艺

1.焊接工艺：手工焊接

（1）手工焊接的四要素有：材料、工具、方法和操作者，后两要素都与人有关。据统计，家电产品的故障原因除了零件的初期不良与损耗外，其余几乎是锡焊不良的地方所引起的。由此可见掌握好焊接技术的尤为重要。

（2）电烙铁，焊锡丝的持拿方法：烙铁一般采用持笔型握法，锡丝一般保持与烙铁呈90度左右。

（3）焊接操作的步骤：焊接的顺序由五个步骤来实行，这是锡焊的基本顺序。

2.焊接工艺:锡炉焊接

锡炉焊接的控制要点是锡炉温度及下锡时间。

（1）锡炉温度控制：

首先要对炉温进行校正，将补偿导线一端接锁于数字温度计端子上，另一端放置于锡炉中，将数位温度计置于℃档和1℃档最小读值档，读取数字温度计测得的锡炉炉温是否与设定参数相符，应使炉温保持在要求的范围内（250℃±10℃），以免烫坏PCB板及CPU等重要器件，或是引起虚焊，假焊，透锡不良的现象存在。

（2）下锡时间控制：

下锡时间应控制在3至5秒之间，确保PCB板一次下锡就能够满足要求，如果PCB元件较大及其他原因一次下锡不能满足要求的则需二次下锡，每次下锡时间在3至4秒之间。

3.静电防护：静电的危害

电子工业中，摩擦起电和人体带电常有发生，电子产品在生产、包装、运输及装联成整机的加工、调试和检测过程中难免受到外界或自身的接触摩擦而形成很高的表面电位，如果操作者不采取静电防护措施，对静电敏感的电子器件造成损坏。

4.静电防护:静电的产生

（1）接触摩擦起电；

（2）剥离起电；

（3）断裂带电；

（4）高速运动的物体带电。

5.静电防护：静电防护

（1）直接或间接接触静电敏感器件的人员必须佩戴静电手环。在配戴静电手环时，应接紧编织带，确保底部不锈钢片与皮肤充分接触。制板人员在工作时，应配戴接地的静电手环，装配人员在焊接模块时，也应配带接地的静电手环。

（2）对静电手环每天进行性能检测，防止因静电手环性能失效或配戴不规范造成人体静电未完全释放，从而使元器件受静电损坏或击穿。

图5.1 静电仪测试示意图

品保主管每天对静电手环测试结果进行审核，并随时抽查操作员静电手环的佩戴情况。对未佩戴静电手环的操作员应将其名单提交行政部门，由行政部门参照有关奖惩制度进行处罚。

（3）对静电敏感器件需采用防静电材料进行包装

（4）静电敏感器件不能与其它器件放在一起，需隔离装箱，且不能放在强电区或强磁性区域。

①仓库防静电区域必须作好屏蔽、防尘、防潮，通风等。

②制板和装配工作台面必须铺防静电台垫。

③工作台、烙铁、锡炉等外壳必须严格接地。

④在取拿静电敏感器件时，请勿用手直接触摸器件的引脚。

6.静电防护:静电敏感器件

（1）集成芯片（IC）

（2）MOSFET

（3）半成品、成品PCB板

（4）功率模块（IGBT）

（5）中央处理器（CPU）

7.点胶工艺:点胶目的

对插件元器件进行固定绝缘,防止绝缘击穿及短路,保证产品质量。

8.点胶工艺:适用于普传公司各种PCB板.