变频器的整流单元是怎样工作的

之前的文章中我们了解了“什么是变频器”以及与之相关的一些应用场景，接下来咱们聊聊变频器的工作原理。

 

PicSource：VLT Midi Drive | Danfoss

 

我们经常会听到一个词，叫做“交直交变频器”。那么，为什么要在“变频器”前面加上“交直交”这个定义呢？原因在于，变频器对交流电源进行频率转换的处理过程，其实是先将交流电变换成直流电，也就是“整流”，然后再将直流电变换为可变频率的交流电的，即：“逆变”。

 

所以，交流变频器的第一级就是“整流单元”，交流电进入变频系统后，会先在这里被转换成直流电。

 

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整流单元主要由三对（六支）二极管或可控硅组成，其作用类似于流体管道系统中所使用的止回阀，只允许电流在一个方向流动，如图中二极管符号的箭头所示。 每当 A 相电压（电压类似于流体管道系统中的压力）为正且高于 B、C 相电压时，那么 A 相正极侧二极管将打开并允许电流通过；而当 B 相电压正向高于 A、C  相时，B 相正极侧二极管即打开，A、C 相正极侧二极管则关断；按照相同的原理，我们也可以推断出各相电压为负时负极侧的 3 个二极管的通断状态。 这样，随着输入侧 A、B、C 三相交流电极性和幅值的循环交替变换，整流回路中各支二极管逐一顺序导通、关闭，我们就从整流回路的输出侧得到了一串由六个电流“脉冲”组成的直流电。 这种“六脉冲整流”几乎已经成为目前整流模块的标准配置。

 

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不难看出，能够通过这个整流回路的电流仅仅是 A、B、C 三相中线电压较高的部分，因此经它变换出来的直流电其实是由三相线电压的波头组成的，其幅值是会有周期性波动的，俗称为“馒头波”或“纹波”。

 

假设整流单元是基于 480V 电源系统运行的，标称额定的电压 480V 为其 rms 或均方根值，那么该系统的电压峰值就是 679V，此时整流单元的直流母线输出上就会呈现出带交流纹波的直流电压，其电压大约在 590V ~ 680V 之间。

 

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这时候就需要使用电容器来消除直流母线上的交流纹波，使其输出变得更加平滑。我们知道，电容器的作用是存储电荷，两个电极片分别存储正负电荷，它们之间的压差会形成电压。当外界的电压高于电容器内的电压时，电容器进行充电动作；而在外界电压低于电容器内电压时，电容器进行放电动作。电容器的作用非常类似于流体管道系统中的水箱或蓄水池，可以通过吸收纹波的方式对直流母线电压幅值进行调节，从而为整流单元提供平滑的电压输出。

 

经过电容器消除纹波后，直流母线上的电压波动通常小于 3 伏，额定输入为 480V 的整流单元，其直流电压输出大约为 650VDC。而实际的整流输出电压则还要取决于整流单元供电侧的线路电压水平、各相阻抗与电压不平衡程度、系统使用的电抗器和谐波滤波器、以及变频器所连接的电机负载...等等。

 

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此外，如果电容器在没有电荷储存的时候有外部电压直接接入，那么正负电荷短时间大量涌入产生的电流是非常大的，这相当于将电容器置于短路状态。因此，为了防止大电流对整流模块及电容器本身造成的伤害，尤其是在系统启动时直流母线预充电的过程中，需要使用限流电阻（上图 RL）对电流进行限制；在电容器充满电之后通过开关（CL）将限流电阻短接，避免限流电阻因长时间通电而导致过热甚至烧毁。而事实上，几乎所有的变频整流模块，都将直流母线电容器完成预充电后限流电阻旁路开关的这个切换动作，作为其进入正常工作状态的一个关键标志。

 

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在交直交（AC-DC-AC）变频技术中，整流单元扮演着非常重要的角色。有时它是以独立的模块出现在变频驱动系统中的，能够为多个逆变驱动单元提供统一的直流电源，这在很多大型传动系统中十分常见；而有时整流单元则是与逆变驱动和控制回路共同集成在一个产品中，成为一台单体独立式标准变频器。