变频器中间电路的滤波环节

    电网的交流电源经过整流电路整流后就可以得到直流电压或直流电流，但是这种电压或电流的纹波较大，从而会影响逆变器的输出交流电压或电流，使它们也产生纹波。因此，必须对整流电路的输出进行滤波，以减少电压或电流的波动。这种直流中间电路也被称为滤波电路。

    对电压型变频器来说，可通过大容量的电容对输出电压进行滤波。通常采用电解电容，并且根据变频器容量的要求，将电容进行串并联使用，来获得所需的耐压值和容量。对电流型变频器来说，直流中间电路可以利用电感对输出电流进行滤波。

    在电压型变频器中，由于滤波采用大容量的电容，当电源接通时电路中会产生很大的浪涌电流（对电容进行充电的充电电流），有可能会烧坏整流器件（如二极管），必须采取相应措施。通常采用以下几种方法：

    (Ⅰ)在整流器的输入端插入交流电抗器。

    (Ⅱ)在整流器的输出端插入直流电抗器。

    (Ⅲ)在整流器的输出端串联由电阻和开关器件并联的充电电阻。

    三种方法的电路形式如图2-12所示。

    图2-12    抑制浪涌电流的方式

   (1)电压型变频器

    在电路中直流部分接大容量的电容器，使加于负载上的电压值不受负载变动的影响，基本保持恒定。该变频电源类似于电压源，因而称为电压型变频器。电压型变频器的主电路如图2-13所示。

    图2-13    电压型变频器

    电压型变频器逆变电压波形为方波，而电流的波形经电动机负载的滤波后接近于正弦波，如图2-14所示。

    由于电压型变频器是作为电压源向交流电动机提供电功率，因此其主要优点是运行几乎不受负载功率因数或换流的影响；缺点是当负载出现短路或负载波动时容易出现过流，必须在极短时间采取保护措施。

    图2-14    电压型变频器的输出电压和电流波形

    电压型变频器又有许多不同类型，详见表2-1。

    表2-1    电压型变频器的分类

    在电压型变频器中能量只能单方向传递，不能适应再生制动运行。在图2-13所示电路的基础上增加再生电路，就可以实现再生制动运行，能量可以在两个方向传递，即在整流器端增设再生反馈通路，反并联一组逆变桥，如图2-15所示。此时，电容Cd上电压的极性仍然不变，但电流Id可以借助于反并联晶闸管三相桥（工作在有源逆变状态）改变方向，使再生电能回馈到交流电网中。此方法一般用于大容量变频器。

    图2-15    反并联逆变桥的电压型变频器

   (2)电流型变频器

    电流型变频器的主电路是在其滤波部分接入大容量电抗器L，如图2-16所示。由于变频器加在负载上的电流值基本保持稳定不变，所以变频器不受负载的影响，电源外特性类似电流源，因而称为电流型变频器。电流型变频器的输出电压及电流波形如图2-17所示。

    电流型变频器的最大特点是容易实现回馈制动，从而便于四象限运行，适用于需要接制动和经常正、反转的机械。

    图2-16    电流型变频器

    图2-17    电流型变频器的输出电压及电流波形

    图2-18给出了电流型变频器的电动和再生制动两种运行状态。图中UR为晶闸管可控整流器，USI为晶闸管电流型逆变器。设UR工作在整流状态(α<90°)，USI工作在逆变状态时，异步电动机在电动状态下运行如图2-18 (a)所示。这时，直流回路电压值的极性为上正下负，电流由Ud的正端流入逆变器，电能由交流电网经变频器传送给电动机，变频器的输出频率ω1>ω，电动机处于电动状态。此时，如使ω1<ω即进入再生制动，在控制上必须同时调节可控整流器的控制角，令α>90°，则电动机进入发电状态，且直流回路电压Ud立即反向，而电流Id方向不变[见图2-18 (b)]。于是，逆变器变成整流器，而可控整流由UR转入逆变状态，电能由电动机回馈给交流电网。

    图2-18    电流型变频器的两种运行状态

    由此可见，虽然电力电子器件具有单向导电性，电流Id肯定不允许反向，但可控整流器的输出电压Ud是可以迅速反向的，因此，电流型变频器容易实现再生制动。

   (3)电压型变频器和电流型变频器的比较

    电压型和电流型变频器的区别主要表现为以下几点。

    ①无功能量的缓冲变频器的负载是异步电动机，属感性负载，中间直流环节与电动机之间除了传递有功功率外，还存在无功功率的交换。由于电力电子开关器件无法储能，无功能量只能依靠储能元件（滤波器）来缓冲。两类变频器的区别在于用什么储能元件来缓冲无功能量。

    ②再生制动二者有很大区别，详见表2-2。一般电压型变频器多采用动力制动。

    ③调速时的动态响应。电流型变频器的直流电压Ud可以迅速改变大小和方向，所以由它供电的调速系统动态响应比较快。相比之下，电压型变频器由于滤波电容的充放电作用使Ud变化缓慢，故其动态响应也慢。

    ④适用范围。电压型变频器适用于不可逆调速系统，且无需经常加减速的场合，并适用于多电动机传动。电流型变频器则适用于要求快速制动及可逆运行的场合。

    将两种类型的变频器性能列表进行比较，如表2-2所示。

    表2-2    电流型变频器与电压型变频器主要性能的比较