电压型变频器主电路的结构

1.全波整流电路

大多数变频器都采用不可控的整流二极管或二极管模块进行桥形整流，如图7-11中的VD₁～VD₆所示。

2.滤波与均压电路

三相全波整流后的电压波形脉动较大，需要进行滤波。由于受到电解电容器的电容量和耐压能力的限制，滤波电路通常由若干个电容器并联成一组，又由两个电容器组串联而成，如图7-11中的C_F1和C_F2所示。因为电解电容器的电容量有较大的离散性，故电容器组C_F1和C_F2的电容量常不能完全相等，这将导致它们承受的电压U_C1和U_C2不相等，承受电压较高的电容器组将容易损坏。

图7-11 整流与滤波电路

为了使U_C1和U_C2相等，在C_F1和C_F2旁各并联一个阻值相等的均压电阻R_C1和R_C2，如图所示。均压原理如下：

假设C_F1＜C_F2，则U_C1＞U_C2。这时，C_F2上的充电电流I_R1必大于C_F1上的充电电流I_R2，这样，C_F2上的电压U_C2有所上升，而C_F1上的电压U_C1则有所下降，从而缩小了U_C1和U_C2的差异，使之趋向于均衡。

老师，我对于整流桥和滤波电路之间接入电阻的作用不是很清楚。”

张老师说：“这叫做‘限流电阻’，其作用说明如下：

3.限流电路

（1）变频器整流电路的问题 变频器在接入电源之前，滤波电容C_F上是没有电荷的，直流电压U_D=0V。因此，当变频器刚接入电源的瞬间，电源进线之间，犹如被短路了一般，将有一个很大的冲击电流i_C经整流桥流向滤波电容，其电流波形如图7-12a中之曲线①所示，足以损坏整流管。

与此同时，在合闸瞬间，变频器进线侧的电压将下降至0，如图中之曲线②所示，从而对同一网络中的其他负载形成干扰。

（2）解决办法 在三相整流桥和滤波电容器之间，接入限流电阻R_L，非但把滤波电容器的充电电流限制在一个允许范围内，如图7-12b中之曲线③所示。变频器的进线电压也不会降至0V，如图中之曲线④所示。

但R_L如长期接在电路内，将影响直流电压和变频器输出电压的大小。因此，当滤波电容器已经充电一定程度后，由接触器KM₂（或晶闸管）将R_L短接。

图7-12 限流电阻的作用

a）无限流电阻 b）有限流电阻

电阻R_L和接触器KM₂的并联电路，称为限流电路。”

“老师，在低压稳压电源中，这种电路是经常用的，好像并没有出现过这些问题。”小李问。

张老师说：“注意，你的前提是低压电路。既然是低压电路，它必须通过变压器T降压，于是：

（1）变压器的二次绕组本身是个大电感，它将削弱合闸时的冲击电流，如图7-13中的曲线①所示；

（2）在合闸瞬间，变压器的二次电压无疑也要降到0V的，如图中之曲线②所示。(www.xing528.com)

但是，变压器在电源和整流桥之间起到了隔离的作用。所以，其一次电压所受影响不大，如图中之曲线③所示。接下来，你就说说逆变桥吧。”

图7-13 低压整流电路

4.逆变电路

小李因为厂里有不少采用变频调速的设备，所以对逆变电路已经比较熟悉，他说：“逆变桥由图7-14中的开关器件V₁～V₆构成。其功能是把直流电压转换成频率和电压都可调的三相交变电压。目前，中小容量的变频器中，逆变桥所用的开关器件基本上都是IGBT管。

逆变桥中，每个逆变管旁边，都要反并联一个二极管，如图7-14中之VD₇～VD₁₂所示，它将为反方向电流提供通路。例如，当电动机处于发电状态时，所发出的电就由反并联二极管全波整流后反馈给滤波电容器。”

小李见张老师似有不满意之色，就停了下来，问：“这样说不对吗？”

张老师笑道：“就宏观效果而言，你这个说法也将就通得过。但在概念上有点含含糊糊。今以一个桥臂为例，看看这反向二极管起什么作用。

（1）电动机状态 异步电动机定子绕组的等效电路是电阻、电感电路，电流在相位上滞后于电压，如图7-15b所示。图中：

0～t₁段：电流i与电压u的方向相反，是绕组的自感电动势（即反电动势）克服电源电压在做功（磁场做功）。这时的电流将通过反并联二极管流往直流回路，向滤波电容器充电。如图a中之手①所示。如果没有反并联二极管，则因为逆变管只能单方向导通，这段时间内的电流无路可通，电流的波形将发生畸变。

图7-14 逆变电路的结构

t₁～t₂段：电流i与电压u的方向相同，是电源电压克服绕组的自感电动势在做功（电源做功）。这时的电流是滤波电容器向电动机放电的电流，如图7-15a中之手②所示。

图7-15 逆变桥反并联二极管的作用

a）逆变桥的桥臂 b）电动状态特点 c）发电状态特点

我们曾经复习过，在电阻、电感电路中，存在着电源和磁场之间进行能量交换的过程。而在变频调速系统中，电动机的磁场能量并不直接和电源能量进行交换，而只是和直流回路中的滤波电容之间进行能量交换。

注意，当电机运行在电动机状态时，反方向的电流小于正方向的电流，所以总体上说，是直流电源在做功。

这里，需要强调一下滤波电容器的工况。在变频器主电路里的滤波电容器，非但有电源对它充电，负载（电动机）也要对它充电。

（2）发电机状态 我们在讨论再生制动时，曾经指出：异步电动机的发电状态和电动状态的主要区别是，电流和电压之间的相位差角大于90°（π/2），如图7-15c所示。

可以十分清楚地看出，在发电机状态，是反方向的电流大于正方向的电流，总体上说，是电动机向直流电路反馈功率。

所以，笼统地说，发出来的电，经反并联二极管全波整流后，反馈到直流电路的说法岂不太含混了一点？”