變頻器的整流單元是怎樣工作的?
發(fā)布時(shí)間:2020-11-04 來源:Mute 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】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。
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)ā㈥P(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。
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。
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。
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。
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。
原稿:Mute
圖文:麥總
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