之前的文章中我們了解了“什么是變頻器”以及與之相關的一些應用場景，接下來咱們聊聊變頻器的工作原理。

 

PicSource：VLT Midi Drive | Danfoss

 

我們經常會聽到一個詞，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”這個定義呢？原因在于，變頻器對交流電源進行頻率轉換的處理過程，其實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就是“整流單元”，交流電進入變頻系統后，會先在這里被轉換成直流電。

 

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整流單元主要由三對（六支）二極管或可控硅組成，其作用類似于流體管道系統中所使用的止回閥，只允許電流在一個方向流動，如圖中二極管符號的箭頭所示。 每當 A 相電壓（電壓類似于流體管道系統中的壓力）為正且高于 B、C 相電壓時，那么 A 相正極側二極管將打開并允許電流通過；而當 B 相電壓正向高于 A、C  相時，B 相正極側二極管即打開，A、C 相正極側二極管則關斷；按照相同的原理，我們也可以推斷出各相電壓為負時負極側的 3 個二極管的通斷狀態。 這樣，隨著輸入側 A、B、C 三相交流電極性和幅值的循環交替變換，整流回路中各支二極管逐一順序導通、關閉，我們就從整流回路的輸出側得到了一串由六個電流“脈沖”組成的直流電。 這種“六脈沖整流”幾乎已經成為目前整流模塊的標準配置。

 

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不難看出，能夠通過這個整流回路的電流僅僅是 A、B、C 三相中線電壓較高的部分，因此經它變換出來的直流電其實是由三相線電壓的波頭組成的，其幅值是會有周期性波動的，俗稱為“饅頭波”或“紋波”。

 

假設整流單元是基于 480V 電源系統運行的，標稱額定的電壓 480V 為其 rms 或均方根值，那么該系統的電壓峰值就是 679V，此時整流單元的直流母線輸出上就會呈現出帶交流紋波的直流電壓，其電壓大約在 590V ~ 680V 之間。

 

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這時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電荷，兩個電極片分別存儲正負電荷，它們之間的壓差會形成電壓。當外界的電壓高于電容器內的電壓時，電容器進行充電動作；而在外界電壓低于電容器內電壓時，電容器進行放電動作。電容器的作用非常類似于流體管道系統中的水箱或蓄水池，可以通過吸收紋波的方式對直流母線電壓幅值進行調節，從而為整流單元提供平滑的電壓輸出。

 

經過電容器消除紋波后，直流母線上的電壓波動通常小于 3 伏，額定輸入為 480V 的整流單元，其直流電壓輸出大約為 650VDC。而實際的整流輸出電壓則還要取決于整流單元供電側的線路電壓水平、各相阻抗與電壓不平衡程度、系統使用的電抗器和諧波濾波器、以及變頻器所連接的電機負載...等等。

 

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此外，如果電容器在沒有電荷儲存的時候有外部電壓直接接入，那么正負電荷短時間大量涌入產生的電流是非常大的，這相當于將電容器置于短路狀態。因此，為了防止大電流對整流模塊及電容器本身造成的傷害，尤其是在系統啟動時直流母線預充電的過程中，需要使用限流電阻（上圖 RL）對電流進行限制；在電容器充滿電之后通過開關（CL）將限流電阻短接，避免限流電阻因長時間通電而導致過熱甚至燒毀。而事實上，幾乎所有的變頻整流模塊，都將直流母線電容器完成預充電后限流電阻旁路開關的這個切換動作，作為其進入正常工作狀態的一個關鍵標志。

 

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在交直交（AC-DC-AC）變頻技術中，整流單元扮演著非常重要的角色。有時它是以獨立的模塊出現在變頻驅動系統中的，能夠為多個逆變驅動單元提供統一的直流電源，這在很多大型傳動系統中十分常見；而有時整流單元則是與逆變驅動和控制回路共同集成在一個產品中，成為一臺單體獨立式標準變頻器。