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高壓變頻器

發布時間:2009-09-22 來源:揚子工具集團 瀏覽次數:44314

高壓變頻器
介紹:本內容摘自機械工業出版社出版的《通用變頻器及其應用》第2 版,經原書第
6 章“高壓變頻器”作者竺偉重新編輯,供大家參考。
引言
隨著電氣傳動技術,尤其是變頻調速技術的發展,作為大容量傳動的高壓變頻調
速技術也得到了廣泛的應用。高壓電機利用高壓變頻器可以實現無級調速,滿足生產
工藝過程對電機調速控制的要求,以提高產品的產量和質量,又可大幅度節約能源,
降低生產成本。近年來,各種高壓變頻器不斷出現,高壓變頻器到目前為止還沒有像
低壓變頻器那樣近乎統一的拓撲結構。根據高壓組成方式可分為直接高壓型和高-低-
高型,根據有無中間直流環節來分,可以分為交-交變頻器和交-直-交變頻器,在交-
直-交變頻器中,按中間直流濾波環節的不同,可分為電壓源型和電流源型。高-低-高
型變頻器采用變壓器實行輸入降壓,輸出升壓的方式,其實質上還是低壓變頻器,只
不過從電網和電機兩端來看是高壓的,是受到功率器件電壓等級技術條件的限制而采
取的變通辦法,需要輸入,輸出變壓器,存在中間低壓環節電流大,效率低下,可靠
性下降,占地面積大等缺點,只用于一些小容量高壓電機的簡單調速。常規的交-交變
頻器由于受到輸出最高頻率的限制,只用在一些低速,大容量的特殊場合。直接高壓
交-直-交變頻器直接高壓輸出,無需輸出變壓器,效率高,輸出頻率范圍寬,應用較
為廣泛。我們將對目前使用較為廣泛的幾種直接高壓輸出交-直-交型變頻器及其派生
方案進行分析,指出各自的優缺點。評價高壓變頻器的指標主要有:成本,可靠性,
對電網的諧波污染,輸入功率因數,輸出諧波,dv/dt,共模電壓,系統效率,能否四
象限運行等。順便指出,我們習慣稱作的高壓變頻器,實際上電壓一般為2.3-10KV,
國內主要為3KV,6KV 和10KV,和電網電壓相比,只能算作中壓,故國外常成為
Medium Voltage Drive.
高壓變頻器正向著高可靠性,低成本,高輸入功率因數,高效率,低輸入輸出諧
波,低共模電壓,低dv/dt 等方向發展。電流源型變頻器技術成熟,且可四象限運
行,但由于高壓時器件串聯的均壓問題,輸入諧波對電網的影響和輸出諧波對電機的
影響等問題,使其應用受到限制。對風機和水泵等一般不要求四象限運行的設備,單
元串聯多電平PWM 電壓源型變頻器在輸入,輸出諧波,效率和輸入功率因數等方面有
明顯的優勢,具有較大的應用前景。對于軋機,卷揚機等要求四象限運行和動態性能
較高的場合,雙PWM 結構的三電平電壓源型變頻器會得到廣泛的應用。
1 電流源型變頻器
電流源型變頻器(CSI:Current Source Inverter)采用大電感作為中間直流

濾波環節。整流電路一般采用晶閘管作為功率器件,少數也有采用GTO 的,主要目的
是采取電流PWM 控制,以改善輸入電流波形。逆變部分一般采用晶閘管或GTO 作為功
率器件。由于存在著大的平波電抗器和快速電流調節器,所以過電流保護比較容易。
當逆變側出現短路等故障時,由于電抗器存在,電流不會突變,而電流調節器則會迅
速響應,使整流電路晶閘管的觸發角迅速后移,電流能控制在安全范圍內。為了對接
地短路也實現保護,通常把濾波電抗器分為兩半,上下直流母線各串一半。電流源型
變頻器的一大優點是能量可以回饋電網,系統可以四象限運行。雖然直流環節電流的
方向不能改變,但整流電壓可以反向(當整流電路工作在有源逆變狀態時),能量可以
回饋到電網。
晶閘管目前工業應用的最高電壓為8000V 左右,當電網電壓較高時,可采用晶閘
管串聯的辦法。比如,當電網電壓為交流4160V 時,需要2 個耐壓為5KV 的晶閘管串
聯,才能滿足5900V 峰值電壓時的耐壓要求?紤]到器件串聯時的均壓問題和器件耐
壓使用安全裕量,在工業應用中,一般使用到器件額定電壓的50-60%。晶閘管串聯存
在靜態均壓和動態均壓問題。均壓電阻會消耗一部分功率,影響系統的效率。晶閘管
的通態壓降一般較低,門極觸發電路比較簡單,驅動功率較低。以6500V,4200A 的晶
閘管為例,通態壓降可做到1.73V,門極觸發電流僅需400mA,觸發功率僅為3W,該
晶閘管的斷態電壓臨界上升率達2000V/us,通態電流臨界上升率達250A/us(連續)。
由于電源側采用三相橋式晶閘管整流電路,輸入電流的諧波成份較大,為了降低
諧波,可采取多重化,有的還必須加輸入濾波裝置。電流源型變頻器輸入功率因數一
般較低,且會隨著轉速的下降而降低,通常要附加功率因數補償裝置。另外,電流源
型變頻器還會產生較大的共模電壓,當沒有輸入變壓器時,共模電壓會施加到電機定
子繞組中心點和地之間,影響電機絕緣。電流源型變頻器的輸出電流諧波較高,會引
起電機的額外發熱和轉矩脈動,必要時也可采取輸出12 脈沖方式或設置輸出濾波器,
當然系統的復雜性和成本也會增加。由于均壓電路等固定損耗較大,以及輸入功率因
數較低,導致無功電流較大等原因,系統效率會隨著負載的降低而降低。
電流源型變頻器種類較多,主要有串聯二極管式,輸出濾波器換相式,負載換相
式和GTO-PWM 式等。其中,前三種電流源型變頻器的逆變功率器件都采用晶閘管,輸
出采用120°導通方式。GTO-PWM 式電流源型變頻器采用GTO 作為功率器件,逆變器一
般采取電流PWM 控制方式。在系統控制上,電流源型變頻器在一般應用時采取電壓-頻
率協調控制。與電壓源型變頻器可以直接控制輸出電壓不同,電流源型變頻器的輸出
電壓是由輸出電流及負載決定的,所以為了實現電壓頻率協調控制,必須設置電壓環
以實現輸出電壓的閉環控制。高性能時,通常采取磁場定向矢量控制,采用常見的轉
速電流雙閉環,通過速度和磁通閉環調節器分別得到定子電流的轉矩分量和勵磁分
量,經過極坐標變換,得到定子電流幅值和負載角,定子電流的幅值作為電流環的給
定值,控制晶閘管整流電路實現定子電流的閉環控制,負載角和同步旋轉坐標系的位
置角迭加在一起,用于逆變側晶閘管的觸發脈沖分配。
電流源型變頻器對電網電壓的波動較為敏感,一般電網電壓下降15%,變頻器就
會跳閘停機。
1.1 晶閘管電流源型變頻器
1.1.1 串聯二極管式電流源型變頻器
圖1 是串聯二極管式電流源型變頻器的逆變電路結構圖。圖中C13,C35,

C51和C46,C62,C24是換相電容器,利用換相電容和電機電感之間的諧振實現晶閘管的強
迫換流,二極管VD1-VD6 在換流過程中隔離電機反電勢,使它不影響
換相電容的放電過程。變頻器運行與電機參數(主要是漏感)的關系較大,換相電容的
容量要與電機電感和負載電流相匹配。在實際應用中,通常要根據所帶電機的不同,
相應地配置換相電容的數量。
圖1 串聯二極管式電流源型變頻器逆變電路
1.1.2 輸出濾波器換相式電流源型變頻器
輸出濾波器換相式電流源型變頻器利用輸出濾波器對晶閘管進行換相,組成結構
如圖2 所示。濾波器大概在50%轉速時提供電機所需的全部勵磁電流,在這點以上,
負載(包括電機和濾波器)維持超前的功率因數。所以逆變器的晶閘管可以實現自然換
流,濾波器的容量基本和變頻器容量相當,除了龐大的濾波電容外,濾波器還必須串
聯一定量的電感,以防止產生過大的di/dt,影響晶閘管的安全。由于濾波器容量較
大,足以讓電機自激發電,所以在濾波器輸出和電機之間必須附加一個接觸器,以防
止變頻器跳閘或自由停車時,電機自激發電。龐大的濾波器的優點是對輸出120°方波
電流起到了很好的濾波作用,所以速度較高時,電機電流波形有所改善。當輸出頻率
降低時,濾波器的濾波作用下降,電機電流波形的質量也有所下降。在變頻調速過程
中,由于輸出電壓隨著頻率的上升正比上升,電容的阻抗與頻率成反比關系,所以,
隨著輸出頻率的上升,流入濾波器的基波電流幅值按照頻率的平方關系上升,直到額
定值。因此,這種變頻器運行的最高頻率一般不會超過額定頻率的1.1 倍,否則,當
頻率過高時,變頻器無法提供濾波電容所需的無功電流。

圖2 輸出濾波器換向式電流源型變頻器
在起動和低速時,由于輸出電壓較低,濾波電容基本上起不到換相作用,一般采
取電流斷續換相法。每當逆變側晶閘管要換相時,設法使流入到逆變器的直流電流下
降到零,使逆變側晶閘管暫時關斷,然后給換向后應該導通的晶閘管加上觸發脈沖。
重新恢復直流電流時,電流將根據觸發順序流入新導通的晶閘管,從而實現從一相到
另一相的換相。斷流的辦法很多,其中一種方法是在直流環節設置一直流電流旁路電
路,當要關斷逆變側晶閘管時,直流環節電流被此電路所旁路,而不會流過逆變側晶
閘管,晶閘管自然關斷。當下一對晶閘管需要導通時,再切斷旁路電路,恢復直流電
流繼續流向逆變器(圖2)。此輔助斷流電路要能承受全部直流環節電壓,并能通過全
部直流電流,時間大約幾百微秒,以保證晶閘管恢復阻斷。高壓晶閘管要求較高的阻
斷電壓,帶來的負面影響是需要較長的關斷時間,因此,輔助斷流電路需要相當的容
量。當然,輔助斷流電路不是設計成為連續運行的,只是在起動和低速時工作,使速
度達到一定值,讓濾波電容能正常工作,變頻器要求能在兩種模式之間自動切換。另
一種方法是封鎖電源,或讓電源側整流器進入逆變狀態,直流環節電流迅速衰減,以
達到短時間內斷流的目的。觸發新的晶閘管時再讓電源恢復。直流回路的平波電抗器
對電流斷續換相是十分不利的,因此必須在電抗器兩端并聯一個續流晶閘管,當電流
衰減時,觸發此晶閘管使之導通,使電抗器的能量得以釋放,以便不影響逆變器的斷
流(圖3)。
輸出濾波器換相式電流源型變頻器在一些調速范圍不大(比如60-100%)的場合還
是應用比較成功的。
1.1.3 負載換相式電流源型變頻器(LCI)
負載換相式電流源型變頻器(LCI:Load Commutated Inverter),負載為同步電
機,變頻器工作原理與輸出濾波器換相式電流源型變頻器有些類似,組成結構見圖
3。
圖3 LCI 組成結構
晶閘管的關斷主要靠同步電機定子交流反電勢自然完成,不需要強迫換相,逆變
器晶閘管的換流與整流橋晶閘管的換流極其相似。變頻器的輸出頻率一般不是獨立調
節的,而是依靠轉子位置檢測器得到的轉子位置信號按一定順序周期性地觸發逆變器
中相應的晶閘管,LCI 這種“自控式”功能,保證變頻器的輸出頻率和電機轉速始終
保持同步,不存在失步和振蕩現象。同步電機在整個調速范圍內都必須提供超前的功
率因數,以保證逆變器晶閘管的正常換相。電機必須有足夠的漏電感,以限制晶閘管

的di/dt,電機也要能夠承受變頻器輸出的諧波電流,除了需要特殊的同步電機之
外,LCI 應用是較為成功的。尤其是在一些超大容量的傳動系統中,因為LCI 無須強
迫換流電路,結構簡單,在大容量時只有晶閘管能夠提供所需的電壓和電流耐量,從
電機角度來說,同步電機在大容量時,相對異步電機也有不少優勢,F在,隨著大容
量自關斷器件的應用越來越廣泛,LCI 應用逐漸減少。
變頻器輸出電流波形和輸入電流波形極為相似,呈120°方波狀,輸出電流中含有
豐富的諧波成分,諧波電流會產生電機的附加發熱,也會產生轉矩脈動。圖4 為該變
頻的輸出電壓,電流和轉矩。
圖4 LCI 輸出波形
在起動和低速時,電機反電勢很小,不足以保證安全換相,因此,一般也采取電
流斷續換相法。
LCI 的一個主要缺點就是轉矩過載能量不強。過載能力不強是因為換相造成的,
為了保證利用反電勢換相的安全,要設置一定的換相提前角,比如空載換相提前角設
為60°,這樣一來就導致平均轉矩下降且轉矩脈動增加。
1.2 GTO-PWM 式電流源型變頻器


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