變頻器的電源拓?fù)錇锳C→DC→AC，逆變器的電源拓?fù)錇镈C→AC，二者最明顯的區(qū)別就是變頻器比逆變器多包含了電源整流部分。那么問題來了，這兩種拓?fù)湎碌哪妇€電容選型是否有區(qū)別，實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中到底應(yīng)該如何權(quán)衡？

1、母線電容的常規(guī)設(shè)計(jì)選型
正向設(shè)計(jì)中，大家多參考常東來博士的文章《變頻器中直流母線電容的紋波電流計(jì)算》。該方法實(shí)際工程使用中是沒有問題的，但多數(shù)情況下母線電容的尺寸與成本很難適配產(chǎn)品小型化與低成本的需要，即存在一定程度的過設(shè)計(jì)。母線電容的主要電氣參數(shù)包括耐電壓、容值以及紋波電流三個(gè)參數(shù)，存在爭(zhēng)議最大的也就是容值這個(gè)參數(shù)：工程經(jīng)驗(yàn)一般取母線電壓波動(dòng)為標(biāo)稱電壓的5%或10%，然后利用電容放電能量與輸出能量守恒的公式，即可得出容值。動(dòng)輒就是1到2倍的容值差別，就問你產(chǎn)品設(shè)計(jì)中慌不慌，那么如何判斷電壓波動(dòng)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的具體影響呢？

2、整流電壓脈動(dòng)與逆變電壓脈動(dòng)對(duì)產(chǎn)品的影響分析
在分析電壓脈動(dòng)的影響之前，首先必須得明確實(shí)際產(chǎn)品的最大調(diào)制比是多少。調(diào)制比m有多種公式定義，比如SPWM控制方式中定義m=調(diào)制波最大幅值/載波最大幅值，也可以用調(diào)制的相電壓/載波相電壓表示。其實(shí)說到底就是電壓利用率，以SVPWM(內(nèi)切圓)舉例：

m=Uref/(sqrt(3)/3×Udc)，公式中Uref為給定矢量；Udc為母線電壓。

根據(jù)電機(jī)的相電壓等效方程：

U=R×I+Ldi/dt+E，公式中R為相電阻；I為相電流；E為反電動(dòng)勢(shì)；L為相電感；U為相電壓。

以一額定功率為30kw的永磁同步電機(jī)參數(shù)為例，電機(jī)相反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)為Ce=0.075V/rpm，額定轉(zhuǎn)速為np=1910pm，電機(jī)極對(duì)數(shù)為p=4，額定相電流為Ip=120A，母線額定電壓Udc=510V，相電阻為0.106Ω，相電感為1mH。(補(bǔ)充一下電機(jī)的角頻率f=n×p/60)

則最大相電壓：

U=R×Ip+L×2×pi×f×Ip+Ce×np=0.106×120+(1e-3×2×3.14×127×120)+0.075×1910=251.7V，則最大線電壓為436V；

則m=Uref/(sqrt(3)/3×Udc) =251.7/(sqrt(3)/3×510) =0.85，考慮到死區(qū)設(shè)置等因素，一般需產(chǎn)品的最大調(diào)制比限值在0.9～0.95左右。則為保證產(chǎn)品能發(fā)揮出額定工況的性能，最小的輸入母線電壓為Udcmin=436/0.9=484.4V。

通過以上計(jì)算就可以確定產(chǎn)品的正常工作電壓范圍，但這個(gè)和電壓脈動(dòng)有關(guān)系嗎，其實(shí)沒關(guān)系，不過大家肯定能用到。

①逆變電壓脈動(dòng)的影響與分析
首先定性的分析逆變(即開關(guān)頻率)導(dǎo)致的電壓波動(dòng)，假設(shè)是SVPWM七段式法，開關(guān)頻率為10kHz，那么母線電容電壓是以20kHz的充放電速率進(jìn)行波動(dòng)，那么輸出端電壓也是以該電壓波動(dòng)，最終會(huì)影響到給定電壓矢量體現(xiàn)在轉(zhuǎn)矩波動(dòng)上。由于電流環(huán)的運(yùn)算帶寬為10kHz，即使采集母線電壓(電壓波動(dòng)帶寬為20kHz)也無法進(jìn)行補(bǔ)償，軟件方面只能聽之任之，只能通過硬件選型即母線電容進(jìn)行抑制。

那么該怎么合理的選型呢，當(dāng)然還是電機(jī)的相電壓等效方程，首先排除對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，因?yàn)殡姍C(jī)的機(jī)械時(shí)間常數(shù)很大，而母線電壓的波動(dòng)是高頻擾動(dòng)。同時(shí)由于相電阻也很小，忽略其壓降的影響，最終體現(xiàn)在相電流的變化增量上，如果該值過大，會(huì)存在轉(zhuǎn)矩變化引起的噪聲以及iq或id的控制精度。這里按電流增量最大不超過1A進(jìn)行設(shè)計(jì)(重要的是方法分析，如產(chǎn)品指標(biāo)要求不一樣，大家自由套用)。

以電容對(duì)應(yīng)的最長(zhǎng)的放電時(shí)間進(jìn)行計(jì)算：L=1mH；dt=50us；di=1A，則相電壓波動(dòng)為20V，線電壓波動(dòng)為34.6V，則母線電壓波動(dòng)率最大不超過34.6/510=6.8%。

則按公式計(jì)算C=P/(4×f×U×dU)=42.5uF，考慮到電壓容值精度、溫度、工作電壓、氣壓以及其他因素的影響，最終選擇容值為1.5C=63.75uF。

②整流電壓脈動(dòng)的影響與分析
三相全橋整流電壓產(chǎn)生脈動(dòng)是6倍頻的電源輸入頻率，以機(jī)上電源最高頻率400Hz為例，最大輸出直流電壓脈動(dòng)為2.4kHz。該電壓脈動(dòng)頻次較慢且確定，因此完全可以在電流環(huán)控制周期中實(shí)時(shí)采集母線電壓進(jìn)行占空比補(bǔ)償，具體方法如下：

將采集到的當(dāng)前實(shí)時(shí)母線電壓和母線電壓相除，得到一個(gè)系數(shù)，然后將經(jīng)過計(jì)算得到的占空比除以這個(gè)系數(shù)，那么就可得到實(shí)時(shí)的經(jīng)過補(bǔ)償后的占空比大小，最后輸出真實(shí)穩(wěn)定的電壓(該值仍受上文計(jì)算的調(diào)制比限制)。

3、總結(jié)
通過以上內(nèi)容分析，變頻器與逆變器的電容容值選型方法完全一致，只不過對(duì)于變頻器需要軟件配合進(jìn)行占空比的補(bǔ)償。(紋波電流的計(jì)算已在常東來博士的文章《變頻器中直流母線電容的紋波電流計(jì)算》體現(xiàn)，不展開討論，變頻器與逆變器的區(qū)別就是多了整流紋波電流的計(jì)算，且成平方和關(guān)系)