中间电路：滤波、制动、浪涌保护与变频器控制电机转速

中间电路位于整流电路和逆变电路之间，它主要由滤波电路和制动电路等组成。

1.滤波电路

滤波电路的功能是对整流电路输出的波动较大的电压或电流进行平滑，为逆变电路提供波动小的直流电压或电流。滤波电路可采用大电容滤波,也可采用大电感(或称电抗)滤波。采用大电容滤波的滤波电路能为逆变电路提供稳定的直流电压，故称之为电压型变频器；采用大电感滤波的滤波电路能为逆变电路提供稳定的直流电流，故称之为电流型变频器。

(1)电容滤波电路

1)电容滤波电路。电容滤波电路如图8-4所示,它采用容量很大的电容作为滤波元件,该电容又称储能电容。工频电源经三相整流电路对滤波电容C充电,在C上充到上正下负的直流电压U_d,然后电容往后级电路放电。这样的充、放电会不断重复,在充电时电容上的电压会上升,放电时电压会下降,电容上的电压有一些波动,电容容量越大,Ud电压波动越小,即滤波效果越好。

2)浪涌保护电路。对于采用电容滤波的变频器,接通电源前电容两端电压为0,在刚接通电源时,会有很大的浪涌电流(冲击电流)经整流器件对电容充电,这样易烧坏整流器件。为了保护整流器件不被开机浪涌电流烧坏，通常要采取一些浪涌保护电路。浪涌保护电路又称充电限流电路，图8-5所示是几种常用的浪涌保护电路。

图8-4 电容滤波电路

图8-5 几种常用的浪涌保护电路

图8-5a所示电路采用了电感进行浪涌保护。在接通电源时,流过电感L的电流突然增大,L会产生左正右负的电动势阻碍电流,由于电感对电流的阻碍,流过二极管并经L对电容充电的电流不会很大,有效保护了整流二极管。当电容上充得较高电压后,流过L的电流减小,L产生的电动势低,对电流阻碍减小,L相当于导线。

图8-5b所示电路采用限流电阻进行浪涌保护。在接通电源时,开关S断开,整流电路通过限流电阻R对电容C充电,由于R的阻碍作用,流过二极管并经R对电容充电的电流较小,保护了整流二极管。图中的开关S一般由晶闸管取代,在刚接通电源时,让晶闸管关断(相当于开关断开),待电容上充得较高的电压后让晶闸管导通,相当于开关闭合,电路开始正常工作。

图8-5c所示电路采用保护电容进行浪涌保护。由于保护电容与整流二极管并联,在接通电源时,输入的电流除了要经过二极管外,还会分流对保护电容充电,这样减小了通过整流二极管的电流。当保护电容充电结束后,滤波电容C上也充得较高的电压,电流仅流过整流二极管,电路开始正常工作。

3)均压电路。滤波电路使用的电容要求容量大、耐压高,若单个电容无法满足要求,可采用多个电容并联增大容量,或采用多个电容串联来提高耐压。电容串联后总容量减小,但每个串联电容两端承受的电压减小,电容两端承受电压与容量成反比(U₁/U₂=C₂/C₁),即电容串联后,容量小的电容两端要承受较高的电压。(www.xing528.com)

图8-6所示电路中采用两个电容C₁、C₂串联来提高总耐压,为了使每个电容两端承受的电压相等,要求C₁、C₂的容量相同,这样总耐压就为两个电容耐压之和,如C₁、C₂耐压都为250V,那么它们串联后可以承受500V电压。由于电容容量有较大的变化性,即使型号、容量都相同的电容,也可能容量有一定的差别,这样两电容串联后,容量小的电容两端承受的电压高,易被击穿,该电容击穿短路后,另一个电容要承受全部电压,也会被击穿。为了避免这种情况的出现,往往需在串联的电容两端并联阻值相同的均压电阻,使容量不同的电容两端承受的电压相同。图8-6所示电路中的电阻R₁、R₂就是均压电阻,它们的阻值相同,并且都并联在电容两端,当容量小的电容两端电压高时,该电容会通过并联的电阻放电来降低两端电压,使两个电容两端的电压保持相同。

图8-6 均压电路

(2)电感滤波电路

电感滤波电路如图8-7所示,它采用一个电感量很大的电感L作为滤波元件,该电感又称储能电感。工频电源经三相整流电路后有电流流过电感L,当流过的电流I增大时,L会产生左正右负电动势阻碍电流增大,使电流慢慢增大;当流过的电流I减小时,L会产生左负右正电动势,该电动势产生的电流与整流电路送来的电流一起送往后级电路,这样送往后级电路的电流慢慢减小,即由于电感的作用,整流送往逆变电路的电流变化很小。

图8-7 电感滤波电路

2.制动电路

变频器是通过改变输出交流电的频率来控制电机转速的。当需要电机减速时,变频器的逆变器输出交流电频率下降,由于惯性原因,电机减速时转子转速会短时高于定子绕组产生的旋转磁场转速(该磁场由交频器提供给定子绕组的交流电产生),电机处于再生发电状态,它会产生电动势通过逆变电路对滤波电容反充电,使电容两端电压升高。为了避免在减速时工作在再生发电状态的电机对电容充的电压过高，同时也为了提高减速制动效果，通常在变频器的中间电路中设置制动电路。

图8-8所示电路中点画线框内部分为制动电路,它由R₁、VT构成。在对电机进行减速或制动控制时,由于惯性原因,电机转子的转速会短时高于绕组产生的旋转磁场的转速,电机工作在再生发电状态,这时的电机相当于一台发电机,电机绕组会产生反馈电流经逆变电路对电容C充电,C上的电压U_d升高。为了避免过高的U_d电压损坏电路中的元器件,在制动或减速时,控制系统会送控制信号到晶体管VT的基极,VT导通,电机通过逆变电路送来的反馈电流经R₁、VT形成回路,不会对电容C充电,另外该电流在流回电机绕组时,绕组会产生磁场,该磁场对转子产生很大的制动转矩,从而使电机快速由高速转为低速,回路电流越大,绕组产生的磁场对转子形成的制动转矩越大。如果电机功率较大或电机需要频繁调速,内部制动电阻R₁容易发热损坏(内部制动电阻功率通常较小,且散热条件差),在这种情况下,可去掉b、c之间的短路片,在a、c间接功率更大的外部制动电阻R。

图8-8 制动电路(点画线框内部分)