西门子6SE70变频器的内部结构

袁波

【摘 要】 本文主要介绍了西门子6SE70变频器的变频调速的各个单元的原理，功能以及各单元之间的相互关系。西门子6SE70变频器的整流单元、滤波单元、逆变单元、制动单元、驱动单元、检测单元、控制单元等为了满足电磁兼容、信号传输的稳定性、散热、大功率输出等要求，而采用的各种技术手段及PWM技术在6SE70变频器中的应用。

【关键词】 变频器 SCR IGBT PMW

交流变频调速技术发展至今已有几十年的历史。低压变频器构成的交流调速系统，因其技术上的不断创新，使系统在性能上不断地完善，并在电气传动领域性能优于直流调速系统，已得到了广泛的应用。本文简要对西门子6SE70变频器内部结构进行剖析。

1 电路结构框图

变频器主要由整流单元（SCR整流桥）、滤波单元、逆变单元（IGBT桥）、制动单元、驱动单元、检测单元、控制单元等部分组成的。（图1）

2 各单元电路及原理

2.1 整流单元

整流单元用于电网的三相交流电变成直流。可分为可控整流和不可控整流两大类。可控整流由于存在输出电压含有较多的谐波、输入功率因数低、控制部分复杂、中间直流大电容造成的调压惯性大相应缓慢等缺点，随着PMW技术的出现可控整流在交直交变频器中已经被淘汰。不可控整流是目前交直交变频器的主流形式，西门子变频器主要采用6支晶闸管组成的三相整流桥。6支晶闸管构成的三相桥式整流电路，晶闸管只用于控制通断不控制直流电压的大小。

2.2 滤波单元

滤波单元主要采用大电容滤波，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一种内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波；当负载发电时，滤波单元可以吸收直流母线上的电压，缓冲对上游整流单元的冲击。

2.3 逆变单元

逆变单元由6个IGBT模块构成，IGBT模块中内置反并联续流二极管，用于反馈电动机制动运行时产生的能量到直流母线。

2.4 制动单元

制动单元由IGBT和能耗电阻组成。当电动机由电动状态转入制动运行时，电动机变为发电状态，其能量通过逆变电路中的反馈续流二极管流入直流中间回路，使直流电压升高而产生过电压，这种过电压称为泵升电压。为了限制泵升电压给直流侧电容并联一个由电力晶体管和能耗电阻组成的泵升电压限制电路。当泵升电压超过一定数值时，使IGBT导通，把电动机反馈的能量消耗在电阻上。当西门子6SE70变频器直流母线电压高于967VDC时，制动单元被激活。

2.5 驱动单元

驱动单元根据控制单元的指令对IGBT进行驱动。IGBT栅极驱动电路有多种形式，按照驱动电路元件的组成可分为分立元件组成的驱动电路和集成化的驱动电路。西门子6SE70工业变频器采用了分立元件驱动电路，每个IGBT对应一个驱动电路。

2.6 检测单元

控制系统反馈量检测的精确程度，从某种意义上说，很大程度上决定了控制系统所能达到的控制品质。检测电路是变频调速系统的重要组成部分，它相当于系统的“眼睛和触觉”。检测与保护电路设计的合理与否，直接关系到系统运行的可靠性和控制精度。

电流信号检测的结果可以用于变频器转矩和电流控制以及过流保护信号。西门子采用霍尔传感器检测电流信号，它具有精度高、线性好、频带宽、响应快、过载能力强和不损失测量电路能量等优点。

电压信号检测的结果可以用于变频器输出转矩和电压控制以及过压、欠压保护信号。电压信号的检测可用电阻分压、线性光耦、电压互感器或霍尔传感器等方法。西门子采用的线性光耦法是一种测量变频器交流输出电压的简单而有效的方法。高速数字光耦具有体积小、寿命长、抗干扰性强、隔离电压高、高速度等优点，在数据信号处理和信号传输中应用的十分广泛，可用来检测变频器交流输出电压。

2.7 控制单元

在交流变频器中使用的非智能控制方式有V/f协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。西门子6SE70变频器根据使用的场合的差异可以灵活的选择控制方式，在钻井行业中，为了满足精度控制大负载，悬停等要求，而采用了矢量控制方式。

矢量控制是通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位，以达到对电动机在坐标轴系中的励磁电流和转矩电流分别进行控制，进而达到控制电动机转矩的目的。

3 PWM（Pulse Width Modulation）控制——脉冲宽度调制技术

通过控制逆变器中的IGBT导通或断开，使其输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲波形，而决定开关器件动作顺序和时间分配规律的控制方法继称脉宽调制方法。改变矩形脉冲的宽度可以控制逆变单元输出交流基波电压的幅值，通过改变调制周期可以控制其输出频率，从而在逆变单元上可以同时进行输出电压幅值与频率的控制，满足变频调速对电压与频率协调控制的要求。PWM技术简化了变频器的结构，提高了电网的功率因数，加快了系统的动态响应，使负载电机可在近似正弦波的交变电压下运行，转矩脉动小，大大扩展了拖动系统的调速范围，并提高了系统的性能。

作为一个变频设备的使用人员，知晓变频原理和结构，在变频器出现故障的时候，才不至于手忙脚乱；虽然西门子6SE70变频器已经停产，但是还是有很多平台使用这种变频器。同时，熟悉了6SE70变频器，对掌握西门子S120变频器也大有裨益。

参考文献：

[1]ABB公司电气传动手册.

[2]西门子电气传动手册.

[3]陈伯时主编.电力拖动自动控制系统.北京：机械工业出版社，2005.9（第2版）.

[4]李华德主编.电力拖动控制系统（运动控制系统）.北京：电子工业出版社，2006.12.