浅谈电压型变频器直流环节滤波电容的计算方法

　　引言

　　虽然利用整流电路可以将交流电变换成直流电，整流电路（rectifying circuit）把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。整流电路的作用是将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电，这就是交流电的整流过程，整流电路主要由整流二极管组成。经过整流电路之后的电压已经不是交流电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压，习惯上称单向脉动性直流电压。

　　直流环节是指插在直流电源和逆变电路之间的滤波电路，其结构的差异将对变换器的性能产生不同的影响：凡是采用电感式结构，其输入电流纹波较小，类似电流源性质；凡是采用电容式结构，其输入端电压纹波较小，类似电压源性质。

　　对电压型变频器米说，整流电路的输出为直流电压，直流中间电路则通过大电解电容对该电压进行滤波；而对于电流型变频器米说，整流电路的输出为直流电流，中间电路则通过大电感对该电流进行滤波。

　　l 三相变频器直流中间电路电解电容的计算

　　1.1 变频器及直流中间电路结构框图

　　变频器及直流中间电路结构图如图1所示。

　　1.2 三相输入及整流后的电压波形

　　三相输入线电压220V及整流后的电压波形如图2所示。

　　图2中，Ua、Ub、Uc是三相三线制的三相输入相电压；uc是电容电压，ur是整流之后未加电容时的电压。

　　1.3 分析过程

　　1.3.l 整流后电压的计算

　　对于三相三线制输入线电压为220V系列变频器（以下简称220V系列）来说U=220V；对于440V系列，U=440V。

　　1.3.2 等效电阻的计算

　　为计算方便，对于输出功率为P的逆变器，将其直流侧输入端阻抗用一个纯电阻R等效，则

　　1.3.3 电容的充放电过程分析

　　由于整流后的直流电压有波动，假设ur的波动幅度为a％，则

　　假设电路工作已经处于稳态，电容两端的电压如图2所示，在t2时刻，电容电压达到值。之后由于电源电压小于电容电压，电容开始放电；在t3时刻，当电源电压下降到值时，电容电压依然大于电源电压，电容继续放电：在t4时刻，电源电压刚好等于电容电压，此后电源给电容充电。

　　1.3.4 计算过程

　　由图2可知，电容的放电时间为tf=t4-t2

　　例：以三相220V系列2.2kW变额器为例来计算其直流中间电路所需的电解电容。

　　已知，U=220V，UPN=310V，f=50Hz，并假设a=5，

　　将以上数据代入式（9）得到C>1036.56μF

　　考虑实际电容容值大小，则可以选择用3个470μF的电解电容并联使用。

　　2 单相变频器直流中间电路电解电容的计算

　　这里单相输入的线电压的值仍与上述三相输入的相同。

　　由于三相变频器整流后的电压波形是六脉波；而单相变频器只有两个波头。

　　对于单相220V系列O.4kW系列变频器来

　　因此对于单相220V系列O.4 kW变频器，则选择用3个220μF的电解电容并联使用。

　　3 实验结果

　　（1）三相输入220V系列2.2kW变频器在载波频率为14.5 kHz、负载为满载、直流环节使用3个470μF的电解电容并联的条件下，测得电容电压值和值分别为312V和299V，平均值为305V，纹波系数约为4.26％；

　　（2）单相输入220V系列O.4kW变频器在载波频率为14.5 kHz、负载为满载、直流环节使用3个220μF的电解电容并联的条件下，测得电容电压值和值分别为308V和294V，平均值为301V，纹波系数约为4.65%。

　　4 结语

　　变频器硬件回路的设计在考虑采用性能好的部件的同时更要注意使成本化。依靠经验而取的电容值一般会留很大的裕量，间接地增加了成本。本文关于直流中间电路电解电容的算法在实际应用中可行，并且可靠。通过理论计算，设计者可以根据不同电压等级、不同功率的负载选择相应的滤波电容。