二极管整流器的工作原理和应用

通用变频器中采用如图2-19a所示的二极管不可控桥式整流电路方案的占绝大多数。逆变器采用PWM方案的情况下，这是一种较好的方案。与晶闸管整流器相比，这种方案在全速度范围内网侧功率因数比较高。由于不必设置相应的控制电路，所以控制简单，成本也较低。

二极管桥式整流电路的工作原理十分简单，不必深入分析。这里主要就其用于通用变频器时的一些技术问题进行必要的说明。理论上讲，二极管整流器的原侧功率因数应该接近于1，但实际上，由于中间直流回路采用大电容作为滤波器。整流器的输入电流实际上是电容器的充电电流，呈较为陡峻的脉冲波，其谐波分量较大。虽然其基波功率因数cosφ₁接近于1，但总功率因数却不可能是1。根据定义，网侧的总功率因数λ应为总有功功率和总表观功率之比，即

式中 U——额定输入电压；

I——额定输入电流；

P——额定输入功率；

U_n——n次谐波电压有效值；

I_n——n次谐波电流有效值；

cosφ_n——n次谐波电压、电流间的功率因数。

这说明输入波形的畸变将影响输入侧的总功率因数。这种影响可用基波因数（原称畸变因数）来表示。基波因数定义为

若令

则网侧的总功率因数可以表示为

对于二极管整流的情况，基波电压和基波电流同相，cosφ₁=1，所以有

可见这种情况下，网侧的总功率因数仅与高次谐波的含量有关。

通常情况下，电源设备的内阻抗可以起到缓冲直流滤波电容的无功功率的作用。这种内阻抗即变压器的短路阻抗，其相对值越大，则输入电流的谐波含量则越小。即电源的容量相对较大（短路阻抗较小）时，将使谐波含量相对变大，如图2-29所示。

图2-29 输入电压、电流波形

在需要时，可在电网侧接入AC电抗器（选购件）来减小网侧电流的谐波含量，表2-2说明了AC电抗器减小谐波含量的效果。

表2-2 电源侧电流高次谐波含有率

高次谐波电流造成的不良影响简述如下：(www.xing528.com)

（1）占用电网容量。一般情况下应考虑电源设备的裕量。

（2）引起电网电压波形畸变。电网容量越大，观察到的电流波形越陡峻，畸变越严重，如图2-29所示。与此相反，电网容量相对较小，电压波形的畸变较严重，如图2-30所示。比较图2-30a与b，畸变程度与变频器的负载大小有关。由于电流、电压波形的畸变，同一供电线路上的其他设备必然受到影响，引起过热、噪声、振动甚至误动作。通用变频器的应用日益增多，对电网的污染问题不容忽视，日本已经开始着手制定限制这种污染的相关法规。

图2-30 电压波形的畸变

a）变频器空载情况 b）变频器额定负载情况

（3）对改善功率因数用的电力电容器产生不良影响。当变频器单机容量或总和容量较大时，这种影响便会显现出来。一旦由于高次谐波而引起并联谐振，电力电容器则流入异常大的电流，引起过热或绝缘的损坏。图2-31a为接线示意图，图2-31b为等效电路。对于谐波电流I_n，电源的谐波阻抗Z_on和电力电容器的谐波阻抗Z_cn相当于并联。

图2-31 接有电力电容器时的电路及其等效电路

a）电路联接示意图 b）等效电路图

由等效电路，可以列出下式

因为

所以当

即Z_cn为容性阻抗（为负值）的场合，下式

Z_on+Z_cn=0为并联谐振的条件。这种情况下，高次谐波电流的幅值将特别大；危及电力电容器的安全。解决的办法有如下几种：

1）改变电容器回路中电感的可调部分。

2）高次谐波含量较多时，增加电容回路串联电抗器的电抗值。

3）投入电力电容器的调整容量。

4）电力电容器设置位置适当改变。

（4）对各种保护电器（包括接触器、继电器）及各种指示仪表等的影响见参考文献^[1]。

二极管三相桥式整流器用于通用逆变器时，尽管电网侧由谐波含量引起了上述技术问题。但从总体上看，这种方案控制简单，成本较低，网侧总的功率因数较高，仍然具有较大优势。因此，目前通用变频器中这种方案应用最多。谐波对电网的污染以及对其他设备造成的影响，通常采用在逆变器的直流回路中接入直流电抗器（又称改善功率因数用直流电抗器）或在交流输入端串联电抗器（又称改善功率因数用交流电抗器）的办法予以解决。从实践上看，效果是令人满意的，成本也不太高。