之前的文章中我們了解了“什么是變頻器”以及與之相關(guān)的一些應(yīng)用場(chǎng)景，接下來咱們聊聊變頻器的工作原理。

 

PicSource：VLT Midi Drive | Danfoss

 

我們經(jīng)常會(huì)聽到一個(gè)詞，叫做“交直交變頻器”。那么，為什么要在“變頻器”前面加上“交直交”這個(gè)定義呢？原因在于，變頻器對(duì)交流電源進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換的處理過程，其實(shí)是先將交流電變換成直流電，也就是“整流”，然后再將直流電變換為可變頻率的交流電的，即：“逆變”。

 

所以，交流變頻器的第一級(jí)就是“整流單元”，交流電進(jìn)入變頻系統(tǒng)后，會(huì)先在這里被轉(zhuǎn)換成直流電。

 

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整流單元主要由三對(duì)（六支）二極管或可控硅組成，其作用類似于流體管道系統(tǒng)中所使用的止回閥，只允許電流在一個(gè)方向流動(dòng)，如圖中二極管符號(hào)的箭頭所示。 每當(dāng) A 相電壓（電壓類似于流體管道系統(tǒng)中的壓力）為正且高于 B、C 相電壓時(shí)，那么 A 相正極側(cè)二極管將打開并允許電流通過；而當(dāng) B 相電壓正向高于 A、C  相時(shí)，B 相正極側(cè)二極管即打開，A、C 相正極側(cè)二極管則關(guān)斷；按照相同的原理，我們也可以推斷出各相電壓為負(fù)時(shí)負(fù)極側(cè)的 3 個(gè)二極管的通斷狀態(tài)。 這樣，隨著輸入側(cè) A、B、C 三相交流電極性和幅值的循環(huán)交替變換，整流回路中各支二極管逐一順序?qū)?、關(guān)閉，我們就從整流回路的輸出側(cè)得到了一串由六個(gè)電流“脈沖”組成的直流電。 這種“六脈沖整流”幾乎已經(jīng)成為目前整流模塊的標(biāo)準(zhǔn)配置。

 

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不難看出，能夠通過這個(gè)整流回路的電流僅僅是 A、B、C 三相中線電壓較高的部分，因此經(jīng)它變換出來的直流電其實(shí)是由三相線電壓的波頭組成的，其幅值是會(huì)有周期性波動(dòng)的，俗稱為“饅頭波”或“紋波”。

 

假設(shè)整流單元是基于 480V 電源系統(tǒng)運(yùn)行的，標(biāo)稱額定的電壓 480V 為其 rms 或均方根值，那么該系統(tǒng)的電壓峰值就是 679V，此時(shí)整流單元的直流母線輸出上就會(huì)呈現(xiàn)出帶交流紋波的直流電壓，其電壓大約在 590V ~ 680V 之間。

 

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這時(shí)候就需要使用電容器來消除直流母線上的交流紋波，使其輸出變得更加平滑。我們知道，電容器的作用是存儲(chǔ)電荷，兩個(gè)電極片分別存儲(chǔ)正負(fù)電荷，它們之間的壓差會(huì)形成電壓。當(dāng)外界的電壓高于電容器內(nèi)的電壓時(shí)，電容器進(jìn)行充電動(dòng)作；而在外界電壓低于電容器內(nèi)電壓時(shí)，電容器進(jìn)行放電動(dòng)作。電容器的作用非常類似于流體管道系統(tǒng)中的水箱或蓄水池，可以通過吸收紋波的方式對(duì)直流母線電壓幅值進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而為整流單元提供平滑的電壓輸出。

 

經(jīng)過電容器消除紋波后，直流母線上的電壓波動(dòng)通常小于 3 伏，額定輸入為 480V 的整流單元，其直流電壓輸出大約為 650VDC。而實(shí)際的整流輸出電壓則還要取決于整流單元供電側(cè)的線路電壓水平、各相阻抗與電壓不平衡程度、系統(tǒng)使用的電抗器和諧波濾波器、以及變頻器所連接的電機(jī)負(fù)載...等等。

 

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此外，如果電容器在沒有電荷儲(chǔ)存的時(shí)候有外部電壓直接接入，那么正負(fù)電荷短時(shí)間大量涌入產(chǎn)生的電流是非常大的，這相當(dāng)于將電容器置于短路狀態(tài)。因此，為了防止大電流對(duì)整流模塊及電容器本身造成的傷害，尤其是在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)直流母線預(yù)充電的過程中，需要使用限流電阻（上圖 RL）對(duì)電流進(jìn)行限制；在電容器充滿電之后通過開關(guān)（CL）將限流電阻短接，避免限流電阻因長(zhǎng)時(shí)間通電而導(dǎo)致過熱甚至燒毀。而事實(shí)上，幾乎所有的變頻整流模塊，都將直流母線電容器完成預(yù)充電后限流電阻旁路開關(guān)的這個(gè)切換動(dòng)作，作為其進(jìn)入正常工作狀態(tài)的一個(gè)關(guān)鍵標(biāo)志。

 

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在交直交（AC-DC-AC）變頻技術(shù)中，整流單元扮演著非常重要的角色。有時(shí)它是以獨(dú)立的模塊出現(xiàn)在變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的，能夠?yàn)槎鄠€(gè)逆變驅(qū)動(dòng)單元提供統(tǒng)一的直流電源，這在很多大型傳動(dòng)系統(tǒng)中十分常見；而有時(shí)整流單元?jiǎng)t是與逆變驅(qū)動(dòng)和控制回路共同集成在一個(gè)產(chǎn)品中，成為一臺(tái)單體獨(dú)立式標(biāo)準(zhǔn)變頻器。