【導讀】我們經(jīng)常會(huì )聽(tīng)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，變頻器對交流電源進(jìn)行頻率轉換的處理過(guò)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就是“整流單元”，交流電進(jìn)入變頻系統后，會(huì )先在這里被轉換成直流電。
整流單元主要由三對（六支）二極管或可控硅組成，其作用類(lèi)似于流體管道系統中所使用的止回閥，只允許電流在一個(gè)方向流動(dòng)，如圖中二極管符號的箭頭所示。 每當 A 相電壓（電壓類(lèi)似于流體管道系統中的壓力）為正且高于 B、C 相電壓時(shí)，那么 A 相正極側二極管將打開(kāi)并允許電流通過(guò)；而當 B 相電壓正向高于 A、C 相時(shí)，B 相正極側二極管即打開(kāi)，A、C 相正極側二極管則關(guān)斷；按照相同的原理，我們也可以推斷出各相電壓為負時(shí)負極側的 3 個(gè)二極管的通斷狀態(tài)。 這樣，隨著(zhù)輸入側 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導通、關(guān)閉，我們就從整流回路的輸出側得到了一串由六個(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準配置。
不難看出，能夠通過(guò)這個(gè)整流回路的電流僅僅是 A、B、C 三相中線(xiàn)電壓較高的部分，因此經(jīng)它變換出來(lái)的直流電其實(shí)是由三相線(xiàn)電壓的波頭組成的，其幅值是會(huì )有周期性波動(dòng)的，俗稱(chēng)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(chēng)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(shí)整流單元的直流母線(xiàn)輸出上就會(huì )呈現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(lái)消除直流母線(xiàn)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(gè)電極片分別存儲正負電荷，它們之間的壓差會(huì )形成電壓。當外界的電壓高于電容器內的電壓時(shí)，電容器進(jìn)行充電動(dòng)作；而在外界電壓低于電容器內電壓時(shí)，電容器進(jìn)行放電動(dòng)作。電容器的作用非常類(lèi)似于流體管道系統中的水箱或蓄水池，可以通過(guò)吸收紋波的方式對直流母線(xiàn)電壓幅值進(jìn)行調節，從而為整流單元提供平滑的電壓輸出。
經(jīng)過(guò)電容器消除紋波后，直流母線(xiàn)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的線(xiàn)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。
此外，如果電容器在沒(méi)有電荷儲存的時(shí)候有外部電壓直接接入，那么正負電荷短時(shí)間大量涌入產(chǎn)生的電流是非常大的，這相當于將電容器置于短路狀態(tài)。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(dòng)時(shí)直流母線(xiàn)預充電的過(guò)程中，需要使用限流電阻（上圖 RL）對電流進(jìn)行限制；在電容器充滿(mǎn)電之后通過(guò)開(kāi)關(guān)（CL）將限流電阻短接，避免限流電阻因長(cháng)時(shí)間通電而導致過(guò)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(xiàn)電容器完成預充電后限流電阻旁路開(kāi)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)鍵標志。
在交直交（AC-DC-AC）變頻技術(shù)中，整流單元扮演著(zhù)非常重要的角色。有時(shí)它是以獨立的模塊出現在變頻驅動(dòng)系統中的，能夠為多個(gè)逆變驅動(dòng)單元提供統一的直流電源，這在很多大型傳動(dòng)系統中十分常見(jiàn)；而有時(shí)整流單元則是與逆變驅動(dòng)和控制回路共同集成在一個(gè)產(chǎn)品中，成為一臺單體獨立式標準變頻器。
原稿：Mute
圖文：麥總
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