高壓變頻器
發(fā)布時(shí)間：2009-09-22 來(lái)源：揚(yáng)子工具集團(tuán) 瀏覽次數(shù):41624高壓變頻器
介紹：本內(nèi)容摘自機(jī)械工業(yè)出版社出版的《通用變頻器及其應(yīng)用》第2 版，經(jīng)原書(shū)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(dòng)技術(shù)，尤其是變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，作為大容量傳動(dòng)的高壓變頻調(diào)
速技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用。高壓電機(jī)利用高壓變頻器可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，滿(mǎn)足生產(chǎn)
工藝過(guò)程對(duì)電機(jī)調(diào)速控制的要求，以提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，又可大幅度節(jié)約能源，
降低生產(chǎn)成本。近年來(lái)，各種高壓變頻器不斷出現(xiàn)，高壓變頻器到目前為止還沒(méi)有像
低壓變頻器那樣近乎統(tǒng)一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。根據(jù)高壓組成方式可分為直接高壓型和高-低-
高型，根據(jù)有無(wú)中間直流環(huán)節(jié)來(lái)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(huán)節(jié)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(shí)行輸入降壓，輸出升壓的方式，其實(shí)質(zhì)上還是低壓變頻器，只
不過(guò)從電網(wǎng)和電機(jī)兩端來(lái)看是高壓的，是受到功率器件電壓等級(jí)技術(shù)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(huán)節(jié)電流大，效率低下，可靠
性下降，占地面積大等缺點(diǎn)，只用于一些小容量高壓電機(jī)的簡(jiǎn)單調(diào)速。常規(guī)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(chǎng)合。直接高壓
交-直-交變頻器直接高壓輸出，無(wú)需輸出變壓器，效率高，輸出頻率范圍寬，應(yīng)用較
為廣泛。我們將對(duì)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(jìn)行分析，指出各自的優(yōu)缺點(diǎn)。評(píng)價(jià)高壓變頻器的指標(biāo)主要有：成本，可靠性，
對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，輸入功率因數(shù)，輸出諧波，dv/dt，共模電壓，系統(tǒng)效率，能否四
象限運(yùn)行等。順便指出，我們習(xí)慣稱(chēng)作的高壓變頻器，實(shí)際上電壓一般為2.3-10KV，
國(guó)內(nèi)主要為3KV，6KV 和10KV，和電網(wǎng)電壓相比，只能算作中壓，故國(guó)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(shù)，高效率，低輸入輸出諧
波，低共模電壓，低dv/dt 等方向發(fā)展。電流源型變頻器技術(shù)成熟，且可四象限運(yùn)
行，但由于高壓時(shí)器件串聯(lián)的均壓?jiǎn)栴}，輸入諧波對(duì)電網(wǎng)的影響和輸出諧波對(duì)電機(jī)的
影響等問(wèn)題，使其應(yīng)用受到限制。對(duì)風(fēng)機(jī)和水泵等一般不要求四象限運(yùn)行的設(shè)備，單
元串聯(lián)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(shù)等方面有
明顯的優(yōu)勢(shì)，具有較大的應(yīng)用前景。對(duì)于軋機(jī)，卷?yè)P(yáng)機(jī)等要求四象限運(yùn)行和動(dòng)態(tài)性能
較高的場(chǎng)合，雙PWM 結(jié)構(gòu)的三電平電壓源型變頻器會(huì)得到廣泛的應(yīng)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(huán)節(jié)。整流電路一般采用晶閘管作為功率器件，少數(shù)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(diào)節(jié)器，所以過(guò)電流保護(hù)比較容易。
當(dāng)逆變側(cè)出現(xiàn)短路等故障時(shí)，由于電抗器存在，電流不會(huì)突變，而電流調(diào)節(jié)器則會(huì)迅
速響應(yīng)，使整流電路晶閘管的觸發(fā)角迅速后移，電流能控制在安全范圍內(nèi)。為了對(duì)接
地短路也實(shí)現(xiàn)保護(hù)，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(yōu)點(diǎn)是能量可以回饋電網(wǎng)，系統(tǒng)可以四象限運(yùn)行。雖然直流環(huán)節(jié)電流的
方向不能改變，但整流電壓可以反向(當(dāng)整流電路工作在有源逆變狀態(tài)時(shí))，能量可以
回饋到電網(wǎng)。
晶閘管目前工業(yè)應(yīng)用的最高電壓為8000V 左右，當(dāng)電網(wǎng)電壓較高時(shí)，可采用晶閘
管串聯(lián)的辦法。比如，當(dāng)電網(wǎng)電壓為交流4160V 時(shí)，需要2 個(gè)耐壓為5KV 的晶閘管串
聯(lián)，才能滿(mǎn)足5900V 峰值電壓時(shí)的耐壓要求。考慮到器件串聯(lián)時(shí)的均壓?jiǎn)栴}和器件耐
壓使用安全裕量，在工業(yè)應(yīng)用中，一般使用到器件額定電壓的50-60%。晶閘管串聯(lián)存
在靜態(tài)均壓和動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴}。均壓電阻會(huì)消耗一部分功率，影響系統(tǒng)的效率。晶閘管
的通態(tài)壓降一般較低，門(mén)極觸發(fā)電路比較簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)功率較低。以6500V，4200A 的晶
閘管為例，通態(tài)壓降可做到1.73V，門(mén)極觸發(fā)電流僅需400mA，觸發(fā)功率僅為3W，該
晶閘管的斷態(tài)電壓臨界上升率達(dá)2000V/us，通態(tài)電流臨界上升率達(dá)250A/us(連續(xù))。
由于電源側(cè)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(shù)一
般較低，且會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的下降而降低，通常要附加功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。另外，電流源
型變頻器還會(huì)產(chǎn)生較大的共模電壓，當(dāng)沒(méi)有輸入變壓器時(shí)，共模電壓會(huì)施加到電機(jī)定
子繞組中心點(diǎn)和地之間，影響電機(jī)絕緣。電流源型變頻器的輸出電流諧波較高，會(huì)引
起電機(jī)的額外發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，必要時(shí)也可采取輸出12 脈沖方式或設(shè)置輸出濾波器，
當(dāng)然系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本也會(huì)增加。由于均壓電路等固定損耗較大，以及輸入功率因
數(shù)較低，導(dǎo)致無(wú)功電流較大等原因，系統(tǒng)效率會(huì)隨著負(fù)載的降低而降低。
電流源型變頻器種類(lèi)較多，主要有串聯(lián)二極管式，輸出濾波器換相式，負(fù)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(dǎo)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(tǒng)控制上，電流源型變頻器在一般應(yīng)用時(shí)采取電壓-頻
率協(xié)調(diào)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(fù)載決定的，所以為了實(shí)現(xiàn)電壓頻率協(xié)調(diào)控制，必須設(shè)置電壓環(huán)
以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的閉環(huán)控制。高性能時(shí)，通常采取磁場(chǎng)定向矢量控制，采用常見(jiàn)的轉(zhuǎn)
速電流雙閉環(huán)，通過(guò)速度和磁通閉環(huán)調(diào)節(jié)器分別得到定子電流的轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分
量，經(jīng)過(guò)極坐標(biāo)變換，得到定子電流幅值和負(fù)載角，定子電流的幅值作為電流環(huán)的給
定值，控制晶閘管整流電路實(shí)現(xiàn)定子電流的閉環(huán)控制，負(fù)載角和同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的位
置角迭加在一起，用于逆變側(cè)晶閘管的觸發(fā)脈沖分配。
電流源型變頻器對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)較為敏感，一般電網(wǎng)電壓下降15%，變頻器就
會(huì)跳閘停機(jī)。
1.1 晶閘管電流源型變頻器
1.1.1 串聯(lián)二極管式電流源型變頻器
圖1 是串聯(lián)二極管式電流源型變頻器的逆變電路結(jié)構(gòu)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(jī)電感之間的諧振實(shí)現(xiàn)晶閘管的強(qiáng)
迫換流，二極管VD1-VD6 在換流過(guò)程中隔離電機(jī)反電勢(shì)，使它不影響
換相電容的放電過(guò)程。變頻器運(yùn)行與電機(jī)參數(shù)(主要是漏感)的關(guān)系較大，換相電容的
容量要與電機(jī)電感和負(fù)載電流相匹配。在實(shí)際應(yīng)用中，通常要根據(jù)所帶電機(jī)的不同，
相應(yīng)地配置換相電容的數(shù)量。
圖1 串聯(lián)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(duì)晶閘管進(jìn)行換相，組成結(jié)構(gòu)
如圖2 所示。濾波器大概在50%轉(zhuǎn)速時(shí)提供電機(jī)所需的全部勵(lì)磁電流，在這點(diǎn)以上，
負(fù)載(包括電機(jī)和濾波器)維持超前的功率因數(shù)。所以逆變器的晶閘管可以實(shí)現(xiàn)自然換
流，濾波器的容量基本和變頻器容量相當(dāng)，除了龐大的濾波電容外，濾波器還必須串
聯(lián)一定量的電感，以防止產(chǎn)生過(guò)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(jī)自激發(fā)電，所以在濾波器輸出和電機(jī)之間必須附加一個(gè)接觸器，以防
止變頻器跳閘或自由停車(chē)時(shí)，電機(jī)自激發(fā)電。龐大的濾波器的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)輸出120°方波
電流起到了很好的濾波作用，所以速度較高時(shí)，電機(jī)電流波形有所改善。當(dāng)輸出頻率
降低時(shí)，濾波器的濾波作用下降，電機(jī)電流波形的質(zhì)量也有所下降。在變頻調(diào)速過(guò)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(guān)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(guān)系上升，直到額
定值。因此，這種變頻器運(yùn)行的最高頻率一般不會(huì)超過(guò)額定頻率的1.1 倍，否則，當(dāng)
頻率過(guò)高時(shí)，變頻器無(wú)法提供濾波電容所需的無(wú)功電流。
圖2 輸出濾波器換向式電流源型變頻器
在起動(dòng)和低速時(shí)，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(xù)換相法。每當(dāng)逆變側(cè)晶閘管要換相時(shí)，設(shè)法使流入到逆變器的直流電流下
降到零，使逆變側(cè)晶閘管暫時(shí)關(guān)斷，然后給換向后應(yīng)該導(dǎo)通的晶閘管加上觸發(fā)脈沖。
重新恢復(fù)直流電流時(shí)，電流將根據(jù)觸發(fā)順序流入新導(dǎo)通的晶閘管，從而實(shí)現(xiàn)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(huán)節(jié)設(shè)置一直流電流旁路電
路，當(dāng)要關(guān)斷逆變側(cè)晶閘管時(shí)，直流環(huán)節(jié)電流被此電路所旁路，而不會(huì)流過(guò)逆變側(cè)晶
閘管，晶閘管自然關(guān)斷。當(dāng)下一對(duì)晶閘管需要導(dǎo)通時(shí)，再切斷旁路電路，恢復(fù)直流電
流繼續(xù)流向逆變器(圖2)。此輔助斷流電路要能承受全部直流環(huán)節(jié)電壓，并能通過(guò)全
部直流電流，時(shí)間大約幾百微秒，以保證晶閘管恢復(fù)阻斷。高壓晶閘管要求較高的阻
斷電壓，帶來(lái)的負(fù)面影響是需要較長(zhǎng)的關(guān)斷時(shí)間，因此，輔助斷流電路需要相當(dāng)?shù)娜?br />
量。當(dāng)然，輔助斷流電路不是設(shè)計(jì)成為連續(xù)運(yùn)行的，只是在起動(dòng)和低速時(shí)工作，使速
度達(dá)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(dòng)切換。另
一種方法是封鎖電源，或讓電源側(cè)整流器進(jìn)入逆變狀態(tài)，直流環(huán)節(jié)電流迅速衰減，以
達(dá)到短時(shí)間內(nèi)斷流的目的。觸發(fā)新的晶閘管時(shí)再讓電源恢復(fù)。直流回路的平波電抗器
對(duì)電流斷續(xù)換相是十分不利的，因此必須在電抗器兩端并聯(lián)一個(gè)續(xù)流晶閘管，當(dāng)電流
衰減時(shí)，觸發(fā)此晶閘管使之導(dǎo)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(diào)速范圍不大(比如60-100%)的場(chǎng)合還
是應(yīng)用比較成功的。
1.1.3 負(fù)載換相式電流源型變頻器（LCI）
負(fù)載換相式電流源型變頻器(LCI：Load Commutated Inverter)，負(fù)載為同步電
機(jī)，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(lèi)似，組成結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖
3。
圖3 LCI 組成結(jié)構(gòu)
晶閘管的關(guān)斷主要靠同步電機(jī)定子交流反電勢(shì)自然完成，不需要強(qiáng)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(dú)立調(diào)
節(jié)的，而是依靠轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器得到的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)按一定順序周期性地觸發(fā)逆變器
中相應(yīng)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(jī)轉(zhuǎn)速始終
保持同步，不存在失步和振蕩現(xiàn)象。同步電機(jī)在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)都必須提供超前的功
率因數(shù)，以保證逆變器晶閘管的正常換相。電機(jī)必須有足夠的漏電感，以限制晶閘管
的di/dt，電機(jī)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(jī)之
外，LCI 應(yīng)用是較為成功的。尤其是在一些超大容量的傳動(dòng)系統(tǒng)中，因?yàn)長(zhǎng)CI 無(wú)須強(qiáng)
迫換流電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在大容量時(shí)只有晶閘管能夠提供所需的電壓和電流耐量，從
電機(jī)角度來(lái)說(shuō)，同步電機(jī)在大容量時(shí)，相對(duì)異步電機(jī)也有不少優(yōu)勢(shì)�，F(xiàn)在，隨著大容
量自關(guān)斷器件的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，LCI 應(yīng)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(huì)產(chǎn)生電機(jī)的附加發(fā)熱，也會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。圖4 為該變
頻的輸出電壓，電流和轉(zhuǎn)矩。
圖4 LCI 輸出波形
在起動(dòng)和低速時(shí)，電機(jī)反電勢(shì)很小，不足以保證安全換相，因此，一般也采取電
流斷續(xù)換相法。
LCI 的一個(gè)主要缺點(diǎn)就是轉(zhuǎn)矩過(guò)載能量不強(qiáng)。過(guò)載能力不強(qiáng)是因?yàn)閾Q相造成的，
為了保證利用反電勢(shì)換相的安全，要設(shè)置一定的換相提前角，比如空載換相提前角設(shè)
為60°，這樣一來(lái)就導(dǎo)致平均轉(zhuǎn)矩下降且轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增加。
1.2 GTO－PWM 式電流源型變頻器
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