电力电子技术—— 电力电子设备
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2019/2/26 13
6.1.3 通用变频器中的逆变环节
电力电子开关可以直 接采用全控型电力电 子器件，如GTR、 GTO、IGBT等，也可 以采用晶闸管加辅助 换流电路组成电子开 关。
+
S1
S3
S5
M 3~
_
S4
S6
S2
三相输出的变频器的逆变电路尽管在开关元件的选用、 电子开关的构成、控制方式等多个方面有很大的差异， 但其逆变电路的基本拓扑结构都是一个三相桥式电路， 有6个桥臂，每个桥臂为一个电力电子开关，如图
2019/2/26 23
6.2.1 软启动器——基本结构
软起动器主电路的核心部件其实就是三组反并联的普通 型晶闸管或者是三个双向晶闸管，可以有6个接线端子。这 三条支路根据工作需要可以构成三相交流调压器，视与三 相负载连接方式的不同，调压器可以是无中线的星形负载 形的,也可以每一组晶闸管与一相负载串联，然后组成一个 三角形。当然，如果三相星形负载的中心点与电源的中线 连接，就成了有中线的三相交流调压器。 为了在负载长期运行于全电压时提高系统的效率和可靠性， 每一组反并联晶闸管的两端还并联一个接触器触点，在起 动和停车过程中，接点断开，电源通过晶闸管给负载供电。 在负载长期运行于全电压时触点闭合，晶闸管停止工作。
本项目由山东交 通学院与济南重机 集团联合完成
2019/2/26
主驱动为一台30KW的 异步电动机。
20
6.2 软启动器
软启动器
6.2.1 软启动 器——基本 结构
6.2.2 软 启动器 ——控 制方式
6.2.3 软启 动器的停 车控制
6.2.4 软 启动器 的保护 功能
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2019/2/26
>
21
第6章 电力电子设备
1 2 6.1 通用变频器
6.2 软启动器
6.3 晶闸管交流调功器 6.4 不间断电源UPS 6.5 开关电源
1
3
4 5
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6.1 通用变频器
通用变频器
6.1.1 通用变 频器中的整 流环节
6.1.2 通 用变频 器中的 中间环 节
6.1.3 通用 变频器中的 逆变环节
P U1 I1 cos1 1 3
式中 P1——电机输入功率（W）； U1——定子相电压（V）； I1——定子相电流（A）； φ1 ——定子电路功率因数角。
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6.1.3 通用变频器中的逆变环节
电动机的输出机械功率为
TM n M P2 9550
式中 P2——电机的输出功率（W）； TM——电机的输出转矩（N·m）； nM——电机的转速（r/min）。 在进行变频调速时，一个重要的原则就是在输出频率为 任何值时保持磁通不变。由电机学可知，电动机中气隙的主 磁通Φ、定子绕组中的感应电动势E和电源频率f之间有以下 关系 E
2019/2/26 25
6.2.1 软启动器——基本结构
三相调压器对电 动机的定子电压进 行调节，不同的定 子电压会使电动机 表现出不同的机械 特性，如果电源频 率不变，电压的大 小不影响电机的空 载转速，但随着电 压的减小电动机的 最大转矩也会减小。
n
3
2
1
0 1 ：100%Ue 2 ：70 % Ue 3
操作界面：软起动器产品都有比较友好的人机界面。包括 显示器、键盘等。操作者可以输入控制信息，同时可以通 过液晶显示屏获取设备运行的情况。
晶闸管保护电路：软起动器中晶闸管的常用保护电路都已 经有完善的设置。通常有电流保护用的快速熔断器、过电压 保护用的压敏电阻、对电压上升率du/dt进行限制的RC保护电 路等。
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2
6.1 通 用 变 频 器 ： 知 名 品 牌 变 频 器
西门子
ABB
三菱
安川
日立
福凌
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3
6.1 通 用 变 频 器 ： 基 本 原 理
n f1 f2 f3 f4 f5 T
f1>f2>f3>f4>f5
0
变频调速是通过变频器 向电机的定子输出一个 60 f n (1 s) 电压，其频率可以连续 p 地改变，从而达到调速 式中f——定子电压频率（Hz）； 的目的。采用变频调速 p——极对数； 的异步电动机的机械特 s——转差率。 性如图 交流异步电动机的转速n为
K
f
16
2019/2/26
6.1.3 通用变频器中的逆变环节
只要保证感应电动势和定子电压的频率不变，磁通就不会 改变。电动机定子的感应电动势E是难以直接控制的，但它 与定子电压U1非常接近，在电压较高时更是如此。 在变频器中，可以通过控制定子电压与定子频率之比E/f不 变的方法来保持磁通基本恒定。即当变频器的输出频率发生 变化时，输出电压有效值也按一定的比例做出变化。这就是 为什么要调节变频器中逆变器输入电压的原因。应该指出的 是，当变频器的输出频率高于电源频率时，输出电压的有效 值是不可改变的，因为如果这样会使电动机的定子电压高于 其额定值，这是不允许的。在此时变频器的输出是频率变高， 输出电压保持额定值不变，由于输入功率不变而转速增高， 电机的转矩会变小。
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6.1.3 通用变频器中的逆变环节
② PWM控制方式 采用PAM控制需要随着逆变器输出频率的改变不断调节 整流电路的输出电压幅度，并且输出电压为方波或阶梯波， 波形质量不好。 全控型器件的工作频率在不断地提高，适合于用做PWM 控制方式的变频器的开关器件。所以现在中小功率的通用 变频器产品大量地采用这种控制方式，目前所用的开关器 件多为IGBT。此类变频器的整流电路为不可控式，减少了 一个可控环节，不仅使电路有一定的简化，而且也提高了 可靠性。中间环节多采用电容滤波形成直流恒压源输出， 为了为滞后于输出电压的负载电流提供通路，每一个桥臂 都有续流二极管与IGBT并联。
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6.1 通 用 变 频 器 ： 基 本 原 理
交 交 交 交
交交交
交交交交
交交交
M 3~ 交交交
交交交交
通用变频器多为交-直-交结构，把来自电网的工频交流电 变换成负载所需的其它频率和电压的交流电，主要由整流 器、中间环节、逆变器和控制电路组成。
2019/2/26 5
6.1.1 通用变频器中的整流环节
如果起动电流过小， 可能会出现起动转矩小 于负载转矩的情况，此 时电动机不能启动，因 此，对此类负载启动时 的初始电压不能设定得 过低。
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1
U/U e
0
T Q (a)
t
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6.2.2 软启动器——控制方式
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6.1.3 通用变频器中的逆变环节
交 交 交 交
交 交 交 交
交交交交交
交交 交交
交交交交交交交 交交交交交
PWM逆变器的工作原理在第三章中已做过比较详细地 介绍，在此不再重复。
2019/2/26 19
6.1 通用变频器——应用实例
机械式 立体车 库系统， 采用了 变频技 术。 主电 机采 用西 门子 MM440变 频器 供电。
2019/2/26 12
6.1.2 通用变频器中的中间环节
动力制动制动电阻 由于制动电阻的功率 和体积都较大，通常通 过接线端子接在变频器 的外部。
RG
VT
交 交 交
动力制动就是为电容上的过量的能量的释放寻找一个途径。 具体方法是，在中间环节中接入一条支路，由一个全控型开 关器件和一个能耗电阻组成。平时电子开关处于关断状态， 制动支路不起作用，进入制动状态，当电容电压上升到某规 定值时，电子开关VT导通，电容的能量经VT释放在制动电阻 上。
2019/2/26 24
Baidu Nhomakorabea 6.2.1 软启动器——基本结构
控制电路：按照软起动器控制的要求向晶闸管输出触发脉冲， 设定参数和来自检测电路的电压、电流或速度信息实时地确 定每一次触发脉冲的控制角，形成触发脉冲输送给各个晶闸 管。 检测电路：软起动器中一般都有三相交流电的电压和电流 传感器。将设备运行时的相关的检测信息输入到控制电路。
2019/2/26 14
6.1.3 通用变频器中的逆变环节
① PAM控制方式 该工作方式是在输出交流电的每一个周期中6个电子开关 通断一次，通断的顺序为：1→2→3→4→5→6→1。输出电 压的波形为方波或阶梯波，电子开关的导通持续时间为120º 或180º 。120º 导电和180º 导电型的输出线电压和相电压的波 形是不同的，第三章已作过较详细的介绍，不再赘述。 三相交流异步电动机的输入功率为
M ：50%Ue
2019/2/26
26
6.2.2 软启动器——控制方式
1
电压斜坡起动
起动时软起动器的输出电压从低于额定电压的某一数值开始，以线性规 律逐渐上升。电压上升时间和初始电压都可以由用户自行设定，起动过程 中电压的变化如图。由电机学知识可知，交流异步电动机定子电压减小会 使定子电流也随之减小，这样起动时电动机的定子电流就会受到限制。
2019/2/26 8
6.1.1 通用变频器中的整流环节
电路结构及工作模式
+
Id
Id 第1 组 逆变 第1组 整流 Ud 0 第 2组 整流 第2组 逆变
交 交 交 交
Ud
_
交 1交
交 2交
2019/2/26
9
6.1.2 通用变频器中的中间环节
滤波元件决定电源形式
无论是哪种形式的整流电路，其输出电压和电流如果不加 处理都有一定的波动，必须对其进行滤波才能提供给逆变器 使用。对整流输出的滤波是中间环节的一个重要任务。滤波 元件可以是电容，也可以是电感，在整流电路的输出端并联 电容进行滤波使逆变器的输入相当于接一个电压源，这种变 频器因此叫做电压源型变频器。如果在整流电路的输出端串 联电感滤波，逆变器输入端相当于接电流源，变频器也因之 叫做电流源型。
2019/2/26
10
6.1.2 通用变频器中的中间环节
限制电容充电电流的措施
S 交 交 交 交 LAC LDC 交 交 交 交 交 交 交 交b 交 交 交 交 交 交 交 交 交c 交 R 交 交 交
交a 交
电压源型滤波器电容的容量都很大，一般为多个电解 电容串并联组成，所以在设备刚接通电源时会产生很大的 瞬间充电电流，为限制这个电流，可采用多种措施，如图
不可控整流电路 整流电路分为可控整流电路和不可控整流电路两种。不 可控整流电路由功率二极管组成，对于三相变频器一般采用 三相桥式结构。整流输出的直流电压与电源电压成正比，如 果电源相电压有效值为U，则输出直流电压（或输出电压平 均值）为2.34 U，随电源电压变化，不能随意调节。不可控 整流电路简单，另一优点是输入电流和电源电压基本可保持 同相位。 不可控整流器的输出端如果接电容滤波，输入电流不是 正弦波，有较大的畸变，所以功率因数不为1。
2019/2/26
6
6.1.1 通用变频器中的整流环节
不可控整流电路加斩波器
交 流 电 网
在一些小容量的PAM变频器中，整流电路可以在不可控整 流器的输出端接一个直流斩波器，起到调节整流电压的作 用，斩波器的形式多为降压型。如图
2019/2/26 7
6.1.1 通用变频器中的整流环节
可控整流电路 可控整流电路由晶闸管组成，一般为三相桥式全控 电路，输出电压可以调节。如果改变控制角，可以使晶 闸管电路工作在整流和逆变两种状态。逆变状态可以把 中间电路中储存的能量回馈给电网。用一组晶闸管组成 的整流电路可以作到输出电压Ud改变方向，但输出电流 Id不能改变方向，在Ud-Id平面上工作在第1、2象限。还 有一种叫做可逆式的整流电路，主电路由两组三相桥式 可控电路组成，两组整流桥都可以工作在整流和逆变两 种状态，输出电压和输出电流均可正可负，可在Ud-Id平 面上的4个象限工作。这种结构的整流电路用于电流型 变频器，能量可以在电网和负载之间双向传递。
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6.1.2 通用变频器中的中间环节
电流源型整流电路
交 交 交 交
Id
交 交 交
M 3~
电流型滤波电路用电感进行滤波，其结构如图。电感的作用 使整流电路的输出电流保持恒定，相当于一个恒流源。电流型 变频器的主要优点是可以使被驱动的异步电机工作在电动状态， 也可以使电机工作在回馈制动状态，正因为如此，整流电路采 用晶闸管可控整流。
6.2 软 启 动 器: 外 形
普通的工业用 软启动器
煤矿用防爆型 软启动器
中压软启动器
2019/2/26
大功率 软启动器
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6.2.1 软启动器——基本结构
1 4
交 交 交 交
交 交 交
3
交交交交交交交
2
1 交 交 交 交交 2 交 交 交 交 交交 3 交 交 交 交 交交 4 交 交 交 交 交
6.1.3 通用变频器中的逆变环节
电力电子开关可以直 接采用全控型电力电 子器件，如GTR、 GTO、IGBT等，也可 以采用晶闸管加辅助 换流电路组成电子开 关。
+
S1
S3
S5
M 3~
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S2
三相输出的变频器的逆变电路尽管在开关元件的选用、 电子开关的构成、控制方式等多个方面有很大的差异， 但其逆变电路的基本拓扑结构都是一个三相桥式电路， 有6个桥臂，每个桥臂为一个电力电子开关，如图
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6.2.1 软启动器——基本结构
软起动器主电路的核心部件其实就是三组反并联的普通 型晶闸管或者是三个双向晶闸管，可以有6个接线端子。这 三条支路根据工作需要可以构成三相交流调压器，视与三 相负载连接方式的不同，调压器可以是无中线的星形负载 形的,也可以每一组晶闸管与一相负载串联，然后组成一个 三角形。当然，如果三相星形负载的中心点与电源的中线 连接，就成了有中线的三相交流调压器。 为了在负载长期运行于全电压时提高系统的效率和可靠性， 每一组反并联晶闸管的两端还并联一个接触器触点，在起 动和停车过程中，接点断开，电源通过晶闸管给负载供电。 在负载长期运行于全电压时触点闭合，晶闸管停止工作。
本项目由山东交 通学院与济南重机 集团联合完成
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主驱动为一台30KW的 异步电动机。
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6.2 软启动器
软启动器
6.2.1 软启动 器——基本 结构
6.2.2 软 启动器 ——控 制方式
6.2.3 软启 动器的停 车控制
6.2.4 软 启动器 的保护 功能
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第6章 电力电子设备
1 2 6.1 通用变频器
6.2 软启动器
6.3 晶闸管交流调功器 6.4 不间断电源UPS 6.5 开关电源
1
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4 5
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6.1 通用变频器
通用变频器
6.1.1 通用变 频器中的整 流环节
6.1.2 通 用变频 器中的 中间环 节
6.1.3 通用 变频器中的 逆变环节
P U1 I1 cos1 1 3
式中 P1——电机输入功率（W）； U1——定子相电压（V）； I1——定子相电流（A）； φ1 ——定子电路功率因数角。
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6.1.3 通用变频器中的逆变环节
电动机的输出机械功率为
TM n M P2 9550
式中 P2——电机的输出功率（W）； TM——电机的输出转矩（N·m）； nM——电机的转速（r/min）。 在进行变频调速时，一个重要的原则就是在输出频率为 任何值时保持磁通不变。由电机学可知，电动机中气隙的主 磁通Φ、定子绕组中的感应电动势E和电源频率f之间有以下 关系 E
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6.2.1 软启动器——基本结构
三相调压器对电 动机的定子电压进 行调节，不同的定 子电压会使电动机 表现出不同的机械 特性，如果电源频 率不变，电压的大 小不影响电机的空 载转速，但随着电 压的减小电动机的 最大转矩也会减小。
n
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0 1 ：100%Ue 2 ：70 % Ue 3
操作界面：软起动器产品都有比较友好的人机界面。包括 显示器、键盘等。操作者可以输入控制信息，同时可以通 过液晶显示屏获取设备运行的情况。
晶闸管保护电路：软起动器中晶闸管的常用保护电路都已 经有完善的设置。通常有电流保护用的快速熔断器、过电压 保护用的压敏电阻、对电压上升率du/dt进行限制的RC保护电 路等。
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6.1 通 用 变 频 器 ： 知 名 品 牌 变 频 器
西门子
ABB
三菱
安川
日立
福凌
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6.1 通 用 变 频 器 ： 基 本 原 理
n f1 f2 f3 f4 f5 T
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变频调速是通过变频器 向电机的定子输出一个 60 f n (1 s) 电压，其频率可以连续 p 地改变，从而达到调速 式中f——定子电压频率（Hz）； 的目的。采用变频调速 p——极对数； 的异步电动机的机械特 s——转差率。 性如图 交流异步电动机的转速n为
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6.1.3 通用变频器中的逆变环节
只要保证感应电动势和定子电压的频率不变，磁通就不会 改变。电动机定子的感应电动势E是难以直接控制的，但它 与定子电压U1非常接近，在电压较高时更是如此。 在变频器中，可以通过控制定子电压与定子频率之比E/f不 变的方法来保持磁通基本恒定。即当变频器的输出频率发生 变化时，输出电压有效值也按一定的比例做出变化。这就是 为什么要调节变频器中逆变器输入电压的原因。应该指出的 是，当变频器的输出频率高于电源频率时，输出电压的有效 值是不可改变的，因为如果这样会使电动机的定子电压高于 其额定值，这是不允许的。在此时变频器的输出是频率变高， 输出电压保持额定值不变，由于输入功率不变而转速增高， 电机的转矩会变小。
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6.1.3 通用变频器中的逆变环节
② PWM控制方式 采用PAM控制需要随着逆变器输出频率的改变不断调节 整流电路的输出电压幅度，并且输出电压为方波或阶梯波， 波形质量不好。 全控型器件的工作频率在不断地提高，适合于用做PWM 控制方式的变频器的开关器件。所以现在中小功率的通用 变频器产品大量地采用这种控制方式，目前所用的开关器 件多为IGBT。此类变频器的整流电路为不可控式，减少了 一个可控环节，不仅使电路有一定的简化，而且也提高了 可靠性。中间环节多采用电容滤波形成直流恒压源输出， 为了为滞后于输出电压的负载电流提供通路，每一个桥臂 都有续流二极管与IGBT并联。
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6.1 通 用 变 频 器 ： 基 本 原 理
交 交 交 交
交交交
交交交交
交交交
M 3~ 交交交
交交交交
通用变频器多为交-直-交结构，把来自电网的工频交流电 变换成负载所需的其它频率和电压的交流电，主要由整流 器、中间环节、逆变器和控制电路组成。
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6.1.1 通用变频器中的整流环节
如果起动电流过小， 可能会出现起动转矩小 于负载转矩的情况，此 时电动机不能启动，因 此，对此类负载启动时 的初始电压不能设定得 过低。
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6.2.2 软启动器——控制方式
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6.1.3 通用变频器中的逆变环节
交 交 交 交
交 交 交 交
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交交 交交
交交交交交交交 交交交交交
PWM逆变器的工作原理在第三章中已做过比较详细地 介绍，在此不再重复。
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机械式 立体车 库系统， 采用了 变频技 术。 主电 机采 用西 门子 MM440变 频器 供电。
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6.1.2 通用变频器中的中间环节
动力制动制动电阻 由于制动电阻的功率 和体积都较大，通常通 过接线端子接在变频器 的外部。
RG
VT
交 交 交
动力制动就是为电容上的过量的能量的释放寻找一个途径。 具体方法是，在中间环节中接入一条支路，由一个全控型开 关器件和一个能耗电阻组成。平时电子开关处于关断状态， 制动支路不起作用，进入制动状态，当电容电压上升到某规 定值时，电子开关VT导通，电容的能量经VT释放在制动电阻 上。
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Baidu Nhomakorabea 6.2.1 软启动器——基本结构
控制电路：按照软起动器控制的要求向晶闸管输出触发脉冲， 设定参数和来自检测电路的电压、电流或速度信息实时地确 定每一次触发脉冲的控制角，形成触发脉冲输送给各个晶闸 管。 检测电路：软起动器中一般都有三相交流电的电压和电流 传感器。将设备运行时的相关的检测信息输入到控制电路。
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6.1.3 通用变频器中的逆变环节
① PAM控制方式 该工作方式是在输出交流电的每一个周期中6个电子开关 通断一次，通断的顺序为：1→2→3→4→5→6→1。输出电 压的波形为方波或阶梯波，电子开关的导通持续时间为120º 或180º 。120º 导电和180º 导电型的输出线电压和相电压的波 形是不同的，第三章已作过较详细的介绍，不再赘述。 三相交流异步电动机的输入功率为
M ：50%Ue
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6.2.2 软启动器——控制方式
1
电压斜坡起动
起动时软起动器的输出电压从低于额定电压的某一数值开始，以线性规 律逐渐上升。电压上升时间和初始电压都可以由用户自行设定，起动过程 中电压的变化如图。由电机学知识可知，交流异步电动机定子电压减小会 使定子电流也随之减小，这样起动时电动机的定子电流就会受到限制。
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6.1.1 通用变频器中的整流环节
电路结构及工作模式
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Id
Id 第1 组 逆变 第1组 整流 Ud 0 第 2组 整流 第2组 逆变
交 交 交 交
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交 1交
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6.1.2 通用变频器中的中间环节
滤波元件决定电源形式
无论是哪种形式的整流电路，其输出电压和电流如果不加 处理都有一定的波动，必须对其进行滤波才能提供给逆变器 使用。对整流输出的滤波是中间环节的一个重要任务。滤波 元件可以是电容，也可以是电感，在整流电路的输出端并联 电容进行滤波使逆变器的输入相当于接一个电压源，这种变 频器因此叫做电压源型变频器。如果在整流电路的输出端串 联电感滤波，逆变器输入端相当于接电流源，变频器也因之 叫做电流源型。
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6.1.2 通用变频器中的中间环节
限制电容充电电流的措施
S 交 交 交 交 LAC LDC 交 交 交 交 交 交 交 交b 交 交 交 交 交 交 交 交 交c 交 R 交 交 交
交a 交
电压源型滤波器电容的容量都很大，一般为多个电解 电容串并联组成，所以在设备刚接通电源时会产生很大的 瞬间充电电流，为限制这个电流，可采用多种措施，如图
不可控整流电路 整流电路分为可控整流电路和不可控整流电路两种。不 可控整流电路由功率二极管组成，对于三相变频器一般采用 三相桥式结构。整流输出的直流电压与电源电压成正比，如 果电源相电压有效值为U，则输出直流电压（或输出电压平 均值）为2.34 U，随电源电压变化，不能随意调节。不可控 整流电路简单，另一优点是输入电流和电源电压基本可保持 同相位。 不可控整流器的输出端如果接电容滤波，输入电流不是 正弦波，有较大的畸变，所以功率因数不为1。
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6.1.1 通用变频器中的整流环节
不可控整流电路加斩波器
交 流 电 网
在一些小容量的PAM变频器中，整流电路可以在不可控整 流器的输出端接一个直流斩波器，起到调节整流电压的作 用，斩波器的形式多为降压型。如图
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6.1.1 通用变频器中的整流环节
可控整流电路 可控整流电路由晶闸管组成，一般为三相桥式全控 电路，输出电压可以调节。如果改变控制角，可以使晶 闸管电路工作在整流和逆变两种状态。逆变状态可以把 中间电路中储存的能量回馈给电网。用一组晶闸管组成 的整流电路可以作到输出电压Ud改变方向，但输出电流 Id不能改变方向，在Ud-Id平面上工作在第1、2象限。还 有一种叫做可逆式的整流电路，主电路由两组三相桥式 可控电路组成，两组整流桥都可以工作在整流和逆变两 种状态，输出电压和输出电流均可正可负，可在Ud-Id平 面上的4个象限工作。这种结构的整流电路用于电流型 变频器，能量可以在电网和负载之间双向传递。
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6.1.2 通用变频器中的中间环节
电流源型整流电路
交 交 交 交
Id
交 交 交
M 3~
电流型滤波电路用电感进行滤波，其结构如图。电感的作用 使整流电路的输出电流保持恒定，相当于一个恒流源。电流型 变频器的主要优点是可以使被驱动的异步电机工作在电动状态， 也可以使电机工作在回馈制动状态，正因为如此，整流电路采 用晶闸管可控整流。
6.2 软 启 动 器: 外 形
普通的工业用 软启动器
煤矿用防爆型 软启动器
中压软启动器
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大功率 软启动器
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6.2.1 软启动器——基本结构
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