關于電壓型變頻器直流環節濾波電容的計算方法

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生紋波電壓或電流，并反過來影響直流電壓或電流的品質。因此，為了保證逆變電路和控制電路能夠得到高質量的直流電壓或電流，必須對直流電壓或電流進行濾波，以減少電壓或電流的脈動。

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

對電壓型變頻器米說，整流電路的輸出為直流電壓，直流中間電路則通過大電解電容對該電壓進行濾波；而對于電流型變頻器米說，整流電路的輸出為直流電流，中間電路則通過大電感對該電流進行濾波。

l 三相變頻器直流中間電路電解電容的計算
1．1 變頻器及直流中間電路結構框圖
變頻器及直流中間電路結構圖如圖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的電壓。

1．3 分析過程
1.3.l 整流后電壓的計算

對于三相三線制輸入線電壓為220V系列變頻器(以下簡稱220V系列)來說U=220V；對于440V系列，U=440V。

1．3．2 等效電阻的計算
為計算方便，對于輸出功率為P的逆變器，將其直流側輸入端阻抗用一個純電阻R等效，則

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

假設電路工作已經處于穩態，電容兩端的電壓如圖2所示，在t2時刻，電容電壓達到最大值。之后由于電源電壓小于電容電壓，電容開始放電；在t3時刻，當電源電壓下降到最小值時，電容電壓依然大于電源電壓，電容繼續放電：在t4時刻，電源電壓剛好等于電容電壓，此后電源給電容充電。在t4時刻電容電壓等于UPV（1-a%）。

1.3.4 計算過程
由圖2可知，電容的放電時間為tf=t4-t2

例：以三相220V系列2．2kW變額器為例來計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a=5，

將以上數據代入式（9）得到C>1036.56μF
考慮實際電容容值大小，則可以選擇用3個470μF的電解電容并聯使用。

2 單相變頻器直流中間電路電解電容的計算
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波頭。

對于單相220V系列O．4kW系列變頻器來

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

3 實驗結果
(1)三相輸入220V系列2.2kW變頻器在載波頻率為14．5 kHz、負載為滿載、直流環節使用3個470μF的電解電容并聯的條件下，測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、負載為滿載、直流環節使用3個220μF的電解電容并聯的條件下，測得電容電壓最大值和最小值分別為308V和294V，平均值為301V，紋波系數約為4．65%。

4 結語
變頻器硬件回路的設計在考慮采用性能好的部件的同時更要注意使成本最低化。依靠經驗而取的電容值一般會留很大的裕量，間接地增加了成本。本文關于直流中間電路電解電容的算法在實際應用中可行，并且可靠。通過理論計算，設計者可以根據不同電壓等級、不同功率的負載選擇相應的濾波電容。此算法已實際應用，并取得了一定的經濟效益。