關(guān)于電壓型變頻器直流環(huán)節(jié)濾波電容的計(jì)算方法

0 引言
雖然利用整流電路可以將交流電變換成直流電，但是在三相電路中這種直流電壓或電流含有頻率為電源頻率6倍的電壓或電流紋波。此外，變頻器逆變電路也將因輸出和載波頻率等原因而產(chǎn)生紋波電壓或電流，并反過(guò)來(lái)影響直流電壓或電流的品質(zhì)。因此，為了保證逆變電路和控制電路能夠得到高質(zhì)量的直流電壓或電流，必須對(duì)直流電壓或電流進(jìn)行濾波，以減少電壓或電流的脈動(dòng)。

直流環(huán)節(jié)是指插在直流電源和逆變電路之間的濾波電路，其結(jié)構(gòu)的差異將對(duì)變換器的性能產(chǎn)生不同的影響：凡是采用電感式結(jié)構(gòu)，其輸入電流紋波較小，類似電流源性質(zhì)；凡是采用電容式結(jié)構(gòu)，其輸入端電壓紋波較小，類似電壓源性質(zhì)。

對(duì)電壓型變頻器米說(shuō)，整流電路的輸出為直流電壓，直流中間電路則通過(guò)大電解電容對(duì)該電壓進(jìn)行濾波；而對(duì)于電流型變頻器米說(shuō)，整流電路的輸出為直流電流，中間電路則通過(guò)大電感對(duì)該電流進(jìn)行濾波。

l 三相變頻器直流中間電路電解電容的計(jì)算
1．1 變頻器及直流中間電路結(jié)構(gòu)框圖
變頻器及直流中間電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.2 三相輸入及整流后的電壓波形
三相輸入線電壓220V及整流后的電壓波形如圖2所示。

圖2中，Ua、Ub、Uc是三相三線制的三相輸入相電壓；uc是電容電壓，ur是整流之后未加電容時(shí)的電壓。

1．3 分析過(guò)程
1.3.l 整流后電壓的計(jì)算

對(duì)于三相三線制輸入線電壓為220V系列變頻器(以下簡(jiǎn)稱220V系列)來(lái)說(shuō)U=220V；對(duì)于440V系列，U=440V。

1．3．2 等效電阻的計(jì)算
為計(jì)算方便，對(duì)于輸出功率為P的逆變器，將其直流側(cè)輸入端阻抗用一個(gè)純電阻R等效，則

1.3.3 電容的充放電過(guò)程分析
由于整流后的直流電壓有波動(dòng)，假設(shè)ur的波動(dòng)幅度為a％，則

假設(shè)電路工作已經(jīng)處于穩(wěn)態(tài)，電容兩端的電壓如圖2所示，在t2時(shí)刻，電容電壓達(dá)到最大值。之后由于電源電壓小于電容電壓，電容開(kāi)始放電；在t3時(shí)刻，當(dāng)電源電壓下降到最小值時(shí)，電容電壓依然大于電源電壓，電容繼續(xù)放電：在t4時(shí)刻，電源電壓剛好等于電容電壓，此后電源給電容充電。在t4時(shí)刻電容電壓等于UPV（1-a%）。

1.3.4 計(jì)算過(guò)程
由圖2可知，電容的放電時(shí)間為tf=t4-t2

例：以三相220V系列2．2kW變額器為例來(lái)計(jì)算其直流中間電路所需的電解電容。
已知，U=220V，UPN=310V，f=50Hz，并假設(shè)a=5，

將以上數(shù)據(jù)代入式（9）得到C>1036.56μF
考慮實(shí)際電容容值大小，則可以選擇用3個(gè)470μF的電解電容并聯(lián)使用。

2 單相變頻器直流中間電路電解電容的計(jì)算
這里單相輸入的線電壓的值仍與上述三相輸入的相同。
由于三相變頻器整流后的電壓波形是六脈波；而單相變頻器只有兩個(gè)波頭。

對(duì)于單相220V系列O．4kW系列變頻器來(lái)

因此對(duì)于單相220V系列O．4 kW變頻器，則選擇用3個(gè)220μF的電解電容并聯(lián)使用。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
(1)三相輸入220V系列2.2kW變頻器在載波頻率為14．5 kHz、負(fù)載為滿載、直流環(huán)節(jié)使用3個(gè)470μF的電解電容并聯(lián)的條件下，測(cè)得電容電壓最大值和最小值分別為312V和299V，平均值為305V，紋波系數(shù)約為4．26％；
(2)單相輸入220V系列O．4kW變頻器在載波頻率為14．5 kHz、負(fù)載為滿載、直流環(huán)節(jié)使用3個(gè)220μF的電解電容并聯(lián)的條件下，測(cè)得電容電壓最大值和最小值分別為308V和294V，平均值為301V，紋波系數(shù)約為4．65%。

4 結(jié)語(yǔ)
變頻器硬件回路的設(shè)計(jì)在考慮采用性能好的部件的同時(shí)更要注意使成本最低化。依靠經(jīng)驗(yàn)而取的電容值一般會(huì)留很大的裕量，間接地增加了成本。本文關(guān)于直流中間電路電解電容的算法在實(shí)際應(yīng)用中可行，并且可靠。通過(guò)理論計(jì)算，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)不同電壓等級(jí)、不同功率的負(fù)載選擇相應(yīng)的濾波電容。此算法已實(shí)際應(yīng)用，并取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。