西門子6SE70變頻器的內部結構

袁波

（西部鉆探國際鉆井公司，新疆烏魯木齊 830000）

西門子6SE70變頻器的內部結構

袁波

（西部鉆探國際鉆井公司，新疆烏魯木齊 830000）

本文主要介紹了西門子6SE70變頻器的變頻調速的各個單元的原理，功能以及各單元之間的相互關系。西門子6SE70變頻器的整流單元、濾波單元、逆變單元、制動單元、驅動單元、檢測單元、控制單元等為了滿足電磁兼容、信號傳輸的穩定性、散熱、大功率輸出等要求，而采用的各種技術手段及PWM技術在6SE70變頻器中的應用。

變頻器 SCR IGBT PMW

交流變頻調速技術發展至今已有幾十年的歷史。低壓變頻器構成的交流調速系統，因其技術上的不斷創新，使系統在性能上不斷地完善，并在電氣傳動領域性能優于直流調速系統，已得到了廣泛的應用。本文簡要對西門子6SE70變頻器內部結構進行剖析。

1　電路結構框圖

變頻器主要由整流單元（SCR整流橋）、濾波單元、逆變單元（IGBT橋）、制動單元、驅動單元、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?？煽卣饔捎诖嬖谳敵鲭妷汉休^多的諧波、輸入功率因數低、控制部分復雜、中間直流大電容造成的調壓慣性大相應緩慢等缺點，隨著PMW技術的出現可控整流在交直交變頻器中已經被淘汰。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阻抗為零的恒壓源，輸出交流電壓是矩形波或階梯波；當負載發電時，濾波單元可以吸收直流母線上的電壓，緩沖對上游整流單元的沖擊。

2.3逆變單元

逆變單元由6個IGBT模塊構成，IGBT模塊中內置反并聯續流二極管，用于反饋電動機制動運行時產生的能量到直流母線。

2.4制動單元

制動單元由IGBT和能耗電阻組成。當電動機由電動狀態轉入制動運行時，電動機變為發電狀態，其能量通過逆變電路中的反饋續流二極管流入直流中間回路，使直流電壓升高而產生過電壓，這種過電壓稱為泵升電壓。為了限制泵升電壓給直流側電容并聯一個由電力晶體管和能耗電阻組成的泵升電壓限制電路。當泵升電壓超過一定數值時，使IGBT導通，把電動機反饋的能量消耗在電阻上。當西門子6SE70變頻器直流母線電壓高于967VDC時，制動單元被激活。

2.5驅動單元

驅動單元根據控制單元的指令對IGBT進行驅動。IGBT柵極驅動電路有多種形式，按照驅動電路元件的組成可分為分立元件組成的驅動電路和集成化的驅動電路。西門子6SE70工業變頻器采用了分立元件驅動電路，每個IGBT對應一個驅動電路。

2.6檢測單元

控制系統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所能達到的控制品質。檢測電路是變頻調速系統的重要組成部分，它相當于系統的“眼睛和觸覺”。檢測與保護電路設計的合理與否，直接關系到系統運行的可靠性和控制精度。

電流信號檢測的結果可以用于變頻器轉矩和電流控制以及過流保護信號。西門子采用霍爾傳感器檢測電流信號，它具有精度高、線性好、頻帶寬、響應快、過載能力強和不損失測量電路能量等優點。

電壓信號檢測的結果可以用于變頻器輸出轉矩和電壓控制以及過壓、欠壓保護信號。電壓信號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。高速數字光耦具有體積小、壽命長、抗干擾性強、隔離電壓高、高速度等優點，在數據信號處理和信號傳輸中應用的十分廣泛，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協調控制、轉差頻率控制、矢量控制、直接轉矩控制等。西門子6SE70變頻器根據使用的場合的差異可以靈活的選擇控制方式，在鉆井行業中，為了滿足精度控制大負載，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。

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

通過控制逆變器中的IGBT導通或斷開，使其輸出端獲得一系列寬度不等的矩形脈沖波形，而決定開關器件動作順序和時間分配規律的控制方法繼稱脈寬調制方法。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，通過改變調制周期可以控制其輸出頻率，從而在逆變單元上可以同時進行輸出電壓幅值與頻率的控制，滿足變頻調速對電壓與頻率協調控制的要求。PWM技術簡化了變頻器的結構，提高了電網的功率因數，加快了系統的動態響應，使負載電機可在近似正弦波的交變電壓下運行，轉矩脈動小，大大擴展了拖動系統的調速范圍，并提高了系統的性能。

作為一個變頻設備的使用人員，知曉變頻原理和結構，在變頻器出現故障的時候，才不至于手忙腳亂；雖然西門子6SE70變頻器已經停產，但是還是有很多平臺使用這種變頻器。同時，熟悉了6SE70變頻器，對掌握西門子S120變頻器也大有裨益。

［1］ABB公司電氣傳動手冊.

［2］西門子電氣傳動手冊.

［3］陳伯時主編.電力拖動自動控制系統.北京：機械工業出版社，2005. 9（第2版）.

［4］李華德主編.電力拖動控制系統（運動控制系統）.北京：電子工業出版社，2006.12.