庖丁來解變頻器，「交-直-交」低壓變頻器內部主電路結構探討

一、內部主電路結構

採用「交-直-交」結構的低壓變頻器，其內部主電路由整流和逆變兩大部分組成，如圖1所示。從R、S、T端輸入的三相交流電，經三相整流橋（由二極體D1～D6構成）整流成直流電，電壓為UD。電容器C1和C2是濾波電容器。6個IGBT管（絕緣柵雙極性晶體管）V1～V6構成三相逆變橋，把直流電逆變成頻率和電壓任意可調的三相交流電。

圖1 變頻器內部主電路

二、均壓電阻和限流電阻

圖1中，濾波電容器C1和C2兩端各並聯了一個電阻，是為了使兩隻電容器上的電壓基本相等，防止電容器在工作中損壞（目前，由於技術的進步，低壓（380V）變頻器的電解電容大多數可以不需要串聯使用了）。在整流橋和濾波電容器之間接有一個電阻R和一對接觸器觸點KM，其緣由是：變頻器剛接通電源時，濾波電容器上的電壓為0V，而電源電壓為380V時的整流電壓峰值是537V，這樣在接通電源的瞬間將有很大的充電衝擊電流，有可能損壞整流二極體；另外，端電壓為0的濾波電容器會使整流電壓瞬間降低至0V，形成對電源網路的干擾。為了解決上述問題，在整流橋和濾波電容器之間接入一個限流電阻R，可將濾波電容器的充電電流限制在一個允許範圍內。但是，如果限流電阻R始終接在電路內，其電壓降將影響變頻器的輸出電壓，也會降低變頻器的電能轉換效率，因此，濾波電容器充電完畢後，由接觸器KM將限流電阻R短接，使之退出運行。

三、主電路的對外連接端子

各種變頻器主電路的對外連接端子大致相同，如圖2所示。其中，R、S、T是變頻器的電源端子，接至交流三相電源；U、V、W為變頻器的輸出端子，接至電動機；P+是整流橋輸出的+端，出廠時P+端與P端之間用一塊截面積足夠大的銅片短接，當需要接入直流電抗器DL時，拆去銅片，將DL接在P+和P之間；P、N是濾波後直流電路的+、-端子，可以連接制動單元和制動電阻；PE是接地端子。

圖2 主電路對外連接端子

四、變頻系統的共用直流母線

電動機在制動（發電）狀態時，變頻器從電動機吸收的能量都會保存在變頻器直流環節的電解電容中，並導致變頻器中的直流母線電壓升高。如果變頻器配備制動單元和制動電阻（這兩種元件屬於選配件），變頻器就可以通過短時間接通電阻，使再生電能以熱方式消耗掉，稱做能耗制動。當然，採取再生能量回饋方案也可解決變頻調速系統的再生能量問題，並可達到節約能源的目的。而標準通用PWM變頻器沒有設計使再生能量反饋到三相電源的功能。如果將多台變頻器的直流環節通過共用直流母線互連，則一台或多台電動機產生的再生能量就可以被其他電動機以電動的方式消耗吸收。或者，在直流母線上設置一組一定容量的制動單元和制動電阻，用以吸收不能被電動狀態電動機吸收的再生能量。若共用直流母線與能量回饋單元組合，就可以將直流母線上的多餘能量直接反饋到電網中來，從而提高系統的節能效果。綜上所述，在具有多台電動機的變頻調速系統中，選用共用直流母線方案，配置一組制動單元、制動電阻和能量回饋單元，是一種提高系統性能並節約投資的較好方案。

圖3所示為應用比較廣泛的共用直流母線方案，該方案包括以下幾個部分。

圖3 變頻器的公用直流母線

1.三相交流電源進線

各變頻器的電源輸入端並聯於同一交流母線上，並保證各變頻器的輸入端電源相位一致。圖3中，斷路器QF是每台變頻器的進線保護裝置。LR是進線電抗器，當多台變頻器在同一環境中運行時，相鄰變頻器會互相干擾，為了消除或減輕這種干擾，同時為了提高變頻器輸入側的功率因數，接入LR是必須的。

2.直流母線

KM是變頻器的直流環節與公用直流母線連接的控制開關。FU是半導體快速熔斷器，其額定電壓可選700V，額定電流必須考慮驅動電動機在電動或制動時的最大電流，一般情況下，可以選擇額定負載電流的125%。

3.公共制動單元和（或）能量回饋裝置

回饋到公共直流母線上的再生能量，在不能完全被吸收的情況下，可通過共用的制動電阻消耗未被吸收的再生能量。若採用能量回饋裝置，則這部分再生能量將被回饋到電網中，從而提高節能的效率。

4.控制單元

各變頻器根據控制單元的指令，通過KM將其直流環節並聯到共用直流母線上，或是在變頻器故障後快速地與共用直流母線斷開。

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