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):41634普通電流源型變頻器的輸出電流不是正弦波，而是120°的方波，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩
除了平均轉(zhuǎn)矩以外，還有脈動(dòng)分量。脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的平均值為0，但它會(huì)使轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不
均勻，產(chǎn)生脈動(dòng)，在電機(jī)低速時(shí)，還會(huì)發(fā)生步進(jìn)現(xiàn)象，在適當(dāng)?shù)臈l件下，可能引起電
機(jī)與負(fù)載組成的機(jī)械系統(tǒng)的共振。脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩主要是由基波旋轉(zhuǎn)磁通和轉(zhuǎn)子諧波電流相
互作用產(chǎn)生的。在三相電機(jī)中，產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的主要是6n±1 次諧波。6 脈沖輸出電流
源型變頻器輸出電流中含有豐富的5 次和7 次諧波，5 次諧波產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)與基波
旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)反向，7 次諧波產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)與基波旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)同向，而電機(jī)轉(zhuǎn)子的電氣旋
轉(zhuǎn)速度基本接近基波磁勢(shì)的旋轉(zhuǎn)速度(二者的差別對(duì)應(yīng)于電機(jī)的轉(zhuǎn)差率)，所以5 次諧
波磁勢(shì)和7 次諧波磁勢(shì)都會(huì)在電機(jī)轉(zhuǎn)子中切割感應(yīng)產(chǎn)生6 倍于基波頻率的轉(zhuǎn)子諧波電
流�；ㄐD(zhuǎn)磁勢(shì)和6 倍頻的轉(zhuǎn)子諧波電流共同作用，產(chǎn)生6 倍頻的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，所以
6 脈沖輸出電流源型變頻器含有較大的6 倍頻脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。同樣，11 次和13 次諧波電流
也會(huì)產(chǎn)生12 倍頻的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。圖42 為6 脈沖輸出電流源型變頻器在輸出頻率為30HZ
時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)值(圖中縱坐標(biāo)采用對(duì)數(shù)坐標(biāo))。電流源型變頻器采用12 脈沖多重化后，
輸出電流波形有較大改善，由于5 次和7 次諧波基本抵消，6 倍頻率脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩大大降
低，剩下主要為12 倍頻的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，總的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯降低。
圖42 電流源型變頻器轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)
脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩在低速時(shí)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響尤為明顯。因?yàn)椋瑢?duì)三相電機(jī)而言，由于
6n±1 次諧波存在，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為Σ∞
=
= + +
1
0 1 cos(6 )
n
m m M M M nω t ϕ ，
其中，Mm為轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分量的最大值， 1
ω 為變頻器輸出基波電壓的角頻率。
根據(jù)電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程，可得由于諧波原因引起的電機(jī)轉(zhuǎn)速的脈動(dòng)分量為
∫Σ Σ∞
=
∞
=
Δ = + = +
1
1
1 1
1 sin(6 )
6
1 cos(6 ) 1
n
m
m
n
m m n t
n
M
J
M n t
J
ω ϕ
ω
ω ω ϕ
由上式可知，電機(jī)的轉(zhuǎn)速脈動(dòng)有以下規(guī)律：轉(zhuǎn)速脈動(dòng)頻率分別為電機(jī)基波角頻率
1 ω
的6n 倍，其幅值與變頻器輸出的基波角頻率1
ω (或頻率f)成反比，即輸出頻率(或
電機(jī)轉(zhuǎn)速)越低，轉(zhuǎn)速波動(dòng)越大，也就是說(shuō)，電機(jī)在低速運(yùn)行情況下，為了使轉(zhuǎn)速波動(dòng)
量維持在同一水平，對(duì)輸出諧波抑制的要求更高。轉(zhuǎn)速脈動(dòng)幅值與變頻器輸出的諧波
次數(shù)n 成反比，即低次諧波所引起的轉(zhuǎn)速脈動(dòng)比高次諧波的影響更大。所以，要使電
機(jī)的轉(zhuǎn)速脈動(dòng)較小，首先要消除或抑制變頻器輸出的低次諧波，采取高頻PWM 方法，
將輸出諧波往高頻推移，不失為減少轉(zhuǎn)速脈動(dòng)的有效辦法。
三電平變頻器在不采用輸出濾波器時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生較大的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，采用輸出濾波
器后，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)可大大降低。
單元串聯(lián)多電平變頻器輸出電流諧波較低，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分量極小，圖43 顯
示了單元串聯(lián)多電平變頻器在輸出頻率為30HZ 時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)值，各次脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩都在
0.1%以下。
圖43 單元串聯(lián)多電平變頻器轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)
4.2.2 輸出dv/dt 對(duì)電機(jī)的影響
由于PWM 方式和高速電力電子器件的使用，變頻器輸出電壓變化率dv/dt 對(duì)電機(jī)
絕緣產(chǎn)生的影響問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重。dv/dt 取決于二個(gè)方面，一是電壓跳變臺(tái)階的幅
值，它與變頻器的電壓等級(jí)和主電路結(jié)構(gòu)有關(guān)，二是逆變器功率器件的開(kāi)關(guān)速度，開(kāi)
關(guān)速度越高，dv/dt 越大。
普通的二電平和三電平PWM 電壓源型變頻器由于輸出電壓跳變臺(tái)階較大，相電壓
的跳變分別達(dá)到直流母線電壓和一半的直流母線電壓，同時(shí)由于逆變器功率器件開(kāi)關(guān)
速度較快，會(huì)產(chǎn)生較大的dv/dt。高的dv/dt 相當(dāng)于在電機(jī)線圈上反復(fù)施加陡度很大
的沖擊電壓，使電機(jī)絕緣承受?chē)?yán)酷的電應(yīng)力，尤其當(dāng)變頻器輸出與電機(jī)之間電纜距離
較長(zhǎng)時(shí)，由于線路分布電感和分布電容的存在，會(huì)產(chǎn)生行波反射放大作用，在參數(shù)適
合時(shí)，加到電機(jī)繞組上的電壓會(huì)成倍增加，引起電機(jī)絕緣損壞。所以這種變頻器一般
需要特殊設(shè)計(jì)的電機(jī)，電機(jī)絕緣必須加強(qiáng)。如果要使用普通電機(jī)，必須附加輸出濾波
器。在相同輸出電壓等級(jí)前提下，采用三電平結(jié)構(gòu)后，相對(duì)二電平結(jié)構(gòu)而言，輸出
dv/dt 有所下降，但在不加輸出濾波器時(shí)，仍不能符合MGI 的標(biāo)準(zhǔn)。
單元串聯(lián)多電平變頻器最大的相電壓跳變等于一個(gè)單元的直流母線電壓，對(duì)6KV
電壓等級(jí)的變頻器而言，約為900V，功率單元所用IGBT 開(kāi)通時(shí)電壓上升時(shí)間為
0.3us，dv/dt 約為3000V/us，MGI 標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍為1us 內(nèi)從10%的相電壓峰值變換
到90%的相電壓峰值，對(duì)6KV 電機(jī)而言，約為3919V/us。所以說(shuō)這類(lèi)變頻器輸出
dv/dt 很低，使得電機(jī)絕緣不會(huì)受到影響，可以使用普通的異步電機(jī)。而且由于輸出
dv/dt 很低，不會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)電纜時(shí)行波反射引起的dv/dt 放大問(wèn)題，對(duì)輸出電纜長(zhǎng)度沒(méi)
有特殊限制，目前使用的最長(zhǎng)記錄為20 公里。
4.2.3 共模電壓和軸電流對(duì)電機(jī)的影響
共模電壓(也叫零序電壓)，是指電機(jī)定子繞組的中心點(diǎn)和地之間的電壓。圖44
為典型的電流源型變頻器示意圖(不帶輸入變壓器)。
圖44 典型電流源型變頻器結(jié)構(gòu)圖
由于上下直流母線的濾波電抗器大小相同，而且流過(guò)相同的電流，所以每個(gè)電抗
器上的壓降也相同，因此以接地點(diǎn)G 為參考電平，各點(diǎn)電壓符合以下關(guān)系，
pG pG nG nG V − E = E −V ，所以有pG nG pG nG V +V = E + E ，二邊除以2，可得，
( ) ( ) mG pG nG pG nG mG V = V +V / 2 = E + E / 2 = E 。由于整流電路在同一時(shí)刻只有二相同時(shí)導(dǎo)
通，導(dǎo)致整流電路輸出的直流中點(diǎn)電壓不等于供電電源的中心點(diǎn)電壓，即≠ 0 mG V 。圖
45 是在晶閘管觸發(fā)角為20°時(shí)的各點(diǎn)電壓波形。中點(diǎn)電壓mG V
按照電網(wǎng)電壓三倍的頻率進(jìn)行變化，在晶閘管觸發(fā)角為90°時(shí)幅值達(dá)到最大。
圖45 電流源型變頻器各點(diǎn)電壓波形
電流源型變頻器逆變器的工作原理與整流器大致相同，因此逆變器輸入直流中點(diǎn)
對(duì)電機(jī)中心點(diǎn)的電壓mN E 波形與mG V 波形大致相同，只是mN E 的變化頻率為變頻器輸
出頻率的三倍，會(huì)隨著變頻器輸出頻率的變化而變化。由于mG mG mN NG V = E = E +V ，
所以共模電壓NG mG mN V = V − E 。由于輸出頻率一般不等于電網(wǎng)頻率，且不斷變化，因
此mG V 和mN E 的組合可以導(dǎo)致共模電壓在某一時(shí)刻會(huì)達(dá)到最大值。由于mG V 和mN E 的最
大值都可以達(dá)到額定相電壓峰值的50%，所以共模電壓最大可接近相電壓的峰值，如
果電源的中心點(diǎn)接地，電機(jī)的機(jī)殼也接地，這樣共模電壓就施加到電機(jī)定子繞組的中
心點(diǎn)和機(jī)殼之間。這樣高的共模電壓使電機(jī)繞組承受的絕緣應(yīng)力為電網(wǎng)直接運(yùn)行情況
下的2 倍，嚴(yán)重影響電機(jī)絕緣。圖46 顯示了一輸出電壓為4160V 的GTO 電流源型變頻
器的共模電壓波形。
圖46 GTO 電流源型變頻器的共模電壓
當(dāng)沒(méi)有輸入變壓器時(shí)，共模電壓會(huì)直接施加到電機(jī)上，增加繞組對(duì)地的電應(yīng)力，
引起絕緣擊穿，影響電機(jī)的使用壽命。如果設(shè)置輸入變壓器(變壓器二次側(cè)中點(diǎn)不能接
地)，則共模電壓由輸入變壓器和電機(jī)共同來(lái)承擔(dān)，按照輸入變壓器原副邊繞組間的分
布電容和電機(jī)繞組對(duì)機(jī)殼間的分布電容(二個(gè)容抗串聯(lián))進(jìn)行分配。由于一般輸入變壓
器的分布電容大大小于電機(jī)繞組對(duì)機(jī)殼的分布電容(比如前者為后者的1/10)，這樣約
90%的共模電壓由輸入變壓器來(lái)承擔(dān)，只要考慮加強(qiáng)輸入變壓器的絕緣即可，而變壓器
的絕緣加強(qiáng)相對(duì)電機(jī)要容易得多。如果沒(méi)有輸入變壓器，則電機(jī)絕緣必須加強(qiáng)，以承
受共模電壓。比如4160V 額定電壓的電機(jī)要求采用10KV 的絕緣設(shè)計(jì)，不能使用標(biāo)準(zhǔn)的
異步電機(jī)。MGI 允許6KV 電機(jī)可以承受的共模電壓范圍為：基波相電壓峰值和共模電
壓峰值之和不超過(guò)8.7KV。
PWM 變頻器的共模電壓中含有與開(kāi)關(guān)頻率相對(duì)應(yīng)的高頻分量，高頻的電壓分量會(huì)
通過(guò)輸出電纜和電機(jī)的分布電容產(chǎn)生對(duì)地高頻漏電流，影響逆變器功率電路的安全。
電機(jī)通過(guò)地產(chǎn)生的高頻漏電流一部分是通過(guò)電定子繞組經(jīng)定子繞組和機(jī)殼間的分布電
容，再經(jīng)機(jī)殼流入地，另一部分是通過(guò)繞組和轉(zhuǎn)子間的分布電容，經(jīng)過(guò)軸承再到機(jī)
殼，然后到地。后者的作用相當(dāng)于軸電流，會(huì)引起電機(jī)軸承的“電蝕”，影響軸承的
壽命。
4.2.4 電機(jī)設(shè)計(jì)和輸出電纜選擇方面的特殊問(wèn)題
由于變頻器輸出諧波會(huì)引起電機(jī)附加溫升，電機(jī)容量必須適當(dāng)放大，熱參數(shù)降低
使用。設(shè)計(jì)時(shí)，在可能的條件下，盡量減少定，轉(zhuǎn)子電阻，以降低損耗。尤其是轉(zhuǎn)子
電阻的減少，很有必要，因?yàn)檗D(zhuǎn)子銅耗在高次諧波所產(chǎn)生的損耗中占相當(dāng)?shù)谋壤�，�?br />
且采用變頻運(yùn)行后，已經(jīng)不需要通過(guò)較大的轉(zhuǎn)子電阻去獲得足夠的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。對(duì)于目
前應(yīng)用廣泛的電壓源型變頻器，為了抑制電流中的高次諧波，適當(dāng)增加電機(jī)的電感是
必要的。設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)當(dāng)考慮到高次諧波和低頻時(shí)電壓補(bǔ)償作用產(chǎn)生的磁路飽和加深，
加大磁路設(shè)計(jì)裕量。普通電機(jī)采用自帶風(fēng)扇的冷卻方式，在轉(zhuǎn)速降低時(shí)，冷卻風(fēng)量跟
著降低，散熱效果下降。對(duì)于風(fēng)機(jī)，水泵等運(yùn)行頻率不低，且轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速基本呈平方
關(guān)系下降的負(fù)載，由于在轉(zhuǎn)速下降時(shí)負(fù)載電流跟著大大下降，發(fā)熱下降，基本沒(méi)有什
么問(wèn)題。但對(duì)于運(yùn)行頻率較低，且低速時(shí)力矩較大的應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)考慮電機(jī)強(qiáng)迫通
風(fēng)，比如采用獨(dú)立電源供電的冷卻風(fēng)機(jī)，或者水冷，甚至電機(jī)降額使用。諧波使電機(jī)
振動(dòng)，噪聲增加，電機(jī)應(yīng)采取低噪聲設(shè)計(jì)并避免可能產(chǎn)生的振動(dòng)，臨界轉(zhuǎn)速必須避開(kāi)
整個(gè)工作轉(zhuǎn)速范圍。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力集中可能對(duì)電機(jī)部件引起損壞，電機(jī)關(guān)鍵部
位必須加強(qiáng)。采取絕緣軸承，在必要時(shí)軸上安裝接地碳刷以避免軸電流對(duì)軸承的損
壞。
由于普通變頻器輸出波形中含有高次諧波成分，因集膚效應(yīng)而使線路等效電阻增
加，同時(shí)，在逆變器輸出低頻時(shí)，輸出電壓跟著降低，線路壓降占輸出電壓的相對(duì)比
例增加，因此輸出電纜的截面積應(yīng)當(dāng)比普通接線時(shí)放大一級(jí)。
電流源型變頻器由于存在輸出諧波和共模電壓對(duì)電機(jī)的影響等問(wèn)題，電機(jī)需降額
使用和加強(qiáng)絕緣，且存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題，使其應(yīng)用受到限制。三電平電壓源型變頻器
存在輸出諧波和dv/dt 等問(wèn)題，一般要設(shè)置輸出濾波器，否則必須使用專(zhuān)用電機(jī)。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
輸出諧波，dv/dt 等方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，對(duì)電機(jī)沒(méi)有特殊的要求，可用于任何普通的
異步電機(jī)，且不必降額使用，具有較大的應(yīng)用前景。
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