一種新型的高性能中壓電機(jī)變頻器

圖1新型變頻器的基本電路圖

1引言

用變速驅(qū)動(dòng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的定速驅(qū)動(dòng)是當(dāng)今節(jié)能的一個(gè)重要話題。但是它有兩個(gè)問題：其一，新的調(diào)速裝置的總投資太高，投資的回收期太長；其二，用新的驅(qū)動(dòng)裝置代替老的設(shè)備需要的時(shí)間太長，導(dǎo)致生產(chǎn)停止太久。而本文介紹的一種新型變頻器，允許保留原有的電機(jī)，并且只要占用很小的空間，從而解決了上述兩個(gè)問題。它是基于中性點(diǎn)鉗位（NPC）原理的新研發(fā)的電壓源變頻器（VSI）。為了滿足電機(jī)需要正弦波輸入電壓的要求，這種新型的變頻器配置了LC輸出濾波器。由于實(shí)現(xiàn)了正弦波供電，不需要更換現(xiàn)有的電機(jī)也不需要降額運(yùn)行，或加強(qiáng)絕緣，并且基本上沒有額外的噪音。這些優(yōu)點(diǎn)已由電機(jī)制造商的測量得到證明。這種新型變頻器的結(jié)構(gòu)非常緊湊，因?yàn)樗捎昧诵麻_發(fā)的叫做IGCT的功率半導(dǎo)體器件，而輸入變壓器可放在最便利的適當(dāng)?shù)胤健?/P>

2新型變頻器

圖1所示為新型變頻器的基本電路圖。

2．1整流器

在不需要將再生能量反饋回電網(wǎng)的場合，12脈波二極管橋式整流器無論在費(fèi)用、效率、可靠性和諧波等方面都是最佳的選擇。二極管是最廉價(jià)的半導(dǎo)體器件，且它的損耗要比可控型器件低。因?yàn)闆]有控制電路，二極管橋損壞的可能性是很小的。當(dāng)輸電線較

(a)變頻器側(cè)和電機(jī)側(cè)線電壓波形

(b)變頻器側(cè)電壓頻譜(每10個(gè)單位等于基波的1％)

(c)電機(jī)側(cè)電壓頻譜(每10個(gè)單位等于基波的1％)

一種新型的高性能中壓電機(jī)變頻器

圖24kV變頻器LC濾波器前后電壓波形與頻譜

短和饋電功率至少為電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率的30倍時(shí)，可通過一個(gè)設(shè)計(jì)合理的隔離變壓器，使整流器的網(wǎng)側(cè)諧波保持在低于IEEE519－1992規(guī)定的最低限度。如果輸電網(wǎng)絡(luò)容量較小，或者有更為嚴(yán)格的諧波限制的話，則要采用24脈波的二極管整流器。

2．2逆變器

一個(gè)供4kV電機(jī)的逆變器可以運(yùn)行在大約6kV的直流母線電壓。新的IGCT器件具有6kV峰值阻斷能力，3.3kV的直流阻斷能力。采用NPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對于每一個(gè)串聯(lián)的半導(dǎo)體功率開關(guān)，由于其獨(dú)特的分壓網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)了器件數(shù)量的最小化。IGCT工作時(shí)不需要關(guān)斷緩沖網(wǎng)絡(luò)（吸收電路），減少了輔助元件的數(shù)量，這一點(diǎn)與GTO相比是相當(dāng)可觀的。IGCT允許在平均開關(guān)頻率為500Hz下工作，這時(shí)其損耗是可以接受的，加上三電平輸出電壓的波形優(yōu)勢，只需要使用一個(gè)小體積的LC輸出濾波器。圖2所示為一個(gè)4kV變頻器在加上LC輸出濾波器以前的逆變器輸出電壓的測量波形，同時(shí)也顯示了這個(gè)電壓的諧波分析，給出THD為12.8％。

IGCT作為一種晶閘管型的器件，比起晶體管型的器件IGBT有更小的通態(tài)損耗，其開通和關(guān)斷損耗也比IGBT要低。但I(xiàn)GCT有一個(gè)缺點(diǎn)，它不能象IGBT一樣平滑地導(dǎo)通。為了保護(hù)單向?qū)ǖ亩O管在關(guān)斷時(shí)免受過大的di/dt的影響，IGCT逆變器在每一個(gè)變換通道裝設(shè)di/dt抑制器或di/dt電抗器。電抗器的去磁（放電）損耗與IGBT平滑導(dǎo)通時(shí)的損耗是一樣的。

2．3LC濾波器

LC濾波器的轉(zhuǎn)折共振頻率大約為360Hz，它與集成驅(qū)動(dòng)控制部分的濾波器共振阻尼控制一起作用，可得到一個(gè)近似的正弦波輸出電壓。圖2所示為電機(jī)電壓的測量波形和它的諧波分析。這個(gè)電壓的諧波含量（THD0.82％）低于IEEE519?1992關(guān)于線電壓諧波的限值。因此原有的和新的標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)在這個(gè)電壓下運(yùn)行不會(huì)有額外的損耗，也就是說不必“降額”使用。

2．4共模電路

各類變頻器的輸出電壓由于其開關(guān)操作不是單純的正相序或負(fù)相序系統(tǒng)，總是存在一個(gè)零相序電壓系統(tǒng)（也經(jīng)常叫做共模電壓），但卻不會(huì)形成電流。但是，實(shí)際的系統(tǒng)是四線制系統(tǒng)，其零線（N）通常是接地的，而變頻器的輸入和輸出也是通過寄生電容接地的（主要是由于電纜的電容接地）。通過接地，電荷在輸出電容的星點(diǎn)（中性點(diǎn)）積聚，從而保護(hù)電機(jī)不受共模電壓的影響。這就避免了由于變頻器零相序電壓產(chǎn)生的軸向電流的危險(xiǎn)。一個(gè)共模電抗器可以減小由于變頻器到輸入變壓器的電纜過長而產(chǎn)生的寄生電容到地充放電電流的幅值。共模電抗器的功能基本上類似變壓器。直流母線充電電流的影響僅僅通過其雜散電感，而共模電流的影響則是通過其主電感。從變壓器到整流器之間300m電纜的地線電流的測量結(jié)果表明：共模電抗器可將瞬時(shí)峰值地線電流減小到1/5。

2．5保護(hù)

每一個(gè)附加的部件象保險(xiǎn)絲都會(huì)降低變頻器的可靠性及增加設(shè)備的費(fèi)用，耐壓數(shù)kV的低額定電流的保險(xiǎn)絲是代價(jià)很高的元件。新的變頻器用兩只叫做“保護(hù)IGCT”的半導(dǎo)體開關(guān)器件代替直流保險(xiǎn)絲，當(dāng)變頻器發(fā)生故障時(shí)，它可以立即將整流器與直流母線隔離。其反應(yīng)是如此之快，使母線電流不會(huì)大于其正

常值水平，只有直流母線電容的能量通過故障變頻器散失，而不會(huì)有額外的能量通過母線進(jìn)到損壞的器件，同時(shí)也保護(hù)了整流器和輸入變壓器。如果輸入隔離變壓器有足夠的阻抗的話，在整流器的母線側(cè)沒有必要安裝保險(xiǎn)絲。如果有二極管損壞的話（這種可能性很小），變壓器的保護(hù)開關(guān)可以足夠快地動(dòng)作，保護(hù)整流器故障不擴(kuò)大。

2．6電機(jī)控制

電機(jī)控制是基于定子磁場定向原理的直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC），它工作時(shí)不需要速度傳感器，可以給出最快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和精確的速度控制。其靜態(tài)轉(zhuǎn)速誤差大約僅為電機(jī)轉(zhuǎn)差率的10％左右，也即對于標(biāo)準(zhǔn)交流電機(jī)來說是其轉(zhuǎn)速范圍的0.1％。DTC控制的優(yōu)越性已被無數(shù)的低壓變頻器在工業(yè)應(yīng)用中證明。其控制軟件C被用到快速信號處理器（DSP）中，其內(nèi)部控制環(huán)每隔25μs計(jì)算一次，這就能使轉(zhuǎn)矩保持在參考值附近很窄的范圍內(nèi)。為了便于使用，控制軟件在電機(jī)第一次起動(dòng)之前，有一個(gè)辨識(shí)運(yùn)行功能（ID?run），用來識(shí)別電機(jī)的參數(shù)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的ID?run是在停車時(shí)運(yùn)行的。如果要求非常高的性能和自動(dòng)速度轉(zhuǎn)換控制的話，可使用另一個(gè)外加的ID?run功能，它利用一個(gè)規(guī)定的運(yùn)行試驗(yàn)順序來控制電機(jī)。

2．7用戶接口 該變頻器既可以就地控制也可以遠(yuǎn)方控制。就地控制面板就象低壓變頻器一樣，它允許操作人員象操作低壓變頻器一樣操作中壓變頻器。在遠(yuǎn)方控制時(shí)，要么通過模擬信號傳輸或者采用不同類型的工業(yè)現(xiàn)場總線。這就使得具有最大的適應(yīng)性將其連接到現(xiàn)有的過程控制設(shè)備。為了完成診斷和進(jìn)行完善的參數(shù)設(shè)置，可將PC機(jī)接到變頻器完成控制。SW工具就象在低壓變頻器上一樣，因?yàn)椴僮魅藛T也常將它同樣用在中壓變頻器上。SW工具對于檢修也是同樣有效的，這就給檢修人員提供了方便，他們在檢修低壓變頻器和中壓變頻器時(shí)常利用這個(gè)工具，盡管他們每年僅需要對中壓變頻器維修一次。 3試驗(yàn)結(jié)果

沒有輸出濾波器的中壓變頻器在驅(qū)動(dòng)普通鼠籠型異步電機(jī)時(shí)的負(fù)面影響已經(jīng)在很多文章中得到確認(rèn)。中壓變頻驅(qū)動(dòng)對電機(jī)的大多數(shù)共同的有害影響歸納如下：

1）由于IGBT或IGCT中壓開關(guān)器件產(chǎn)生的10～20kV/μs的dv/dt對電機(jī)繞組的絕緣構(gòu)成了威脅。

2）由于過高的諧波電流含量導(dǎo)致電機(jī)的溫升增加，而降低了電機(jī)的帶載能力。

3）電機(jī)端陡峭的共模電壓導(dǎo)致軸向電機(jī)電流。

4）由于非正弦磁通引起的鐵損使可聞噪聲增加。

試驗(yàn)的目的是證明新的VSD拓?fù)鋵﹄姍C(jī)的良好的性能，其次電機(jī)制造商的興趣是定義新裝置驅(qū)動(dòng)的電機(jī)的效率，以減小電機(jī)的損耗。直到目前所有的VSD驅(qū)動(dòng)都使電機(jī)損耗超標(biāo)，只能降額使用。

全部試驗(yàn)都用相同的電機(jī)，電機(jī)都符合IEC標(biāo)準(zhǔn)，是一種循環(huán)冷卻的TEWAC電機(jī)。電機(jī)的銘牌參數(shù)見表1。

表1試驗(yàn)電機(jī)參數(shù)項(xiàng)目UI/VII/API/kWn/r/minfI/HzcosΦ接法
數(shù)值41603562000715600.81Y
3.1電機(jī)溫升試驗(yàn)

溫升試驗(yàn)是用相同的電機(jī)在兩種不同的供電方式下完成的:直接電網(wǎng)供電和由VSD供電，電機(jī)帶額定負(fù)荷。溫度測量采用熱電阻方法，其測量結(jié)果見表2。

表2電機(jī)滿負(fù)荷溫升項(xiàng)目DOL供電VSD驅(qū)動(dòng)
UIn/V40004020
II/A357356
f/Hz6060
溫升/℃45.544.8
根據(jù)這個(gè)測量結(jié)果，用VSD驅(qū)動(dòng)時(shí)的電機(jī)溫升稍低于由電網(wǎng)直接供電的電機(jī)，這可以被解釋為系統(tǒng)的測量誤差。這個(gè)結(jié)論證明用新的VSD驅(qū)動(dòng)的電機(jī)的溫升不會(huì)高于直接供電的電機(jī)。這比起其它的VSD方案有明顯的改善，而用其它中壓調(diào)速驅(qū)動(dòng)的電機(jī)一般要降額5％～15％使用。

3．2電壓上升時(shí)間和它對電機(jī)的影響

由中壓VSD產(chǎn)生的短的電壓上升時(shí)間使許多用戶擔(dān)心導(dǎo)致電機(jī)繞組絕緣的損傷和故障，圖2示出了一個(gè)典型的沒有輸出濾波器時(shí)的輸出電壓波形，這種電壓對電機(jī)產(chǎn)生的主要影響如下。

1）電機(jī)電流的高諧波含量。

2）由于電壓反射，會(huì)在電機(jī)端產(chǎn)生非常高的電壓。 高的諧波含量會(huì)導(dǎo)致高的損耗，這樣電機(jī)的溫升也比由電網(wǎng)直接供電時(shí)要高。而短的電壓上升時(shí)間能夠?qū)е码妷悍瓷?，使得終端瞬時(shí)電壓高于入射電壓，這將會(huì)加速電機(jī)定子繞組的絕緣老化。這些影響實(shí)際

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一種新型的高性能中壓電機(jī)變頻器

圖3采用新的交流調(diào)速驅(qū)動(dòng)器的電機(jī)在改變轉(zhuǎn)速

和轉(zhuǎn)矩時(shí)的負(fù)載能力曲線

圖4鼠籠式感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行在純正弦波電壓源（DOL）和由新型拓?fù)銿SD變頻器帶輸出濾波器時(shí)的效率曲線。（運(yùn)行在100％恒定轉(zhuǎn)矩下）

上可以通過在VSD拓?fù)渲屑尤胼敵鰹V波器而得到消除。但是電壓上升時(shí)間不能完全從這個(gè)網(wǎng)絡(luò)（VSDTopology）中消除。

3．3噪音

由于使用VSD對周圍環(huán)境的負(fù)面影響主要是噪音。表3列出了三種不同情況下的測量值。

1）VSD（NPC逆變器）無輸出濾波器；

2）電網(wǎng)直接供電；

3）新型拓?fù)銿SD加輸出濾波器。

所有的測量是在空載額定轉(zhuǎn)速的情況下進(jìn)行的。

表3可聞噪聲的測量系統(tǒng)類型聲壓水平/dB聲壓水平（線性與DOL方式比較/％
VSD無輸出濾波器74.5145
直接電網(wǎng)供電71.3100
新型拓?fù)銿SD加輸出濾波器72.8119
當(dāng)電機(jī)由采用NPC逆變電路的VSD驅(qū)動(dòng)時(shí)，如果沒有輸出濾波器，其聲壓水平要比由電網(wǎng)直接供電的電機(jī)高出45％，盡管NPC逆變器在所有電壓型變頻器（VSI）中已經(jīng)具有最好的輸出性能。由于輸出濾波器包含在新的變頻器之中，VSD驅(qū)動(dòng)所引起的相應(yīng)噪聲水平的增加被減少到1/2。

3．4負(fù)載能力

如果標(biāo)準(zhǔn)的IEC或NEMA電機(jī)用不帶輸出濾波器的VSD驅(qū)動(dòng)，其負(fù)載能力將會(huì)有所降低。直至今日，電機(jī)制造商還是將自通風(fēng)的電機(jī)“降額”后作為VSD的負(fù)載，由于諧波含量高，所以不得不采用比實(shí)際要求更大的電機(jī)。

圖3所示為循環(huán)冷卻電機(jī)（即TEWAC電機(jī)）的負(fù)載能力曲線，描述了采用新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變頻器的情況。測量是在改變轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩時(shí)完成的。在同一幅圖上也畫出了象風(fēng)機(jī)水泵這類典型平方律負(fù)載的曲線。對于各種類型的表面冷卻式電機(jī)（即TEFC電機(jī)），甚至只能在較低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，譬如（0～30）％。

3．5新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變頻器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)損耗

由于采用了輸出濾波器，電機(jī)的損耗非常接近于由電網(wǎng)直接供電運(yùn)行的電機(jī)（見圖4）。這樣，電機(jī)的規(guī)格就其損耗而言與由電網(wǎng)直接供電的電機(jī)相同。

4結(jié)語

本文描述了一種采用新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的中壓變頻器，重點(diǎn)是這種VSD對標(biāo)準(zhǔn)中壓電機(jī)的影響。從電機(jī)制造商完成的測量來看，結(jié)果是非常滿意的。由于實(shí)際上幾乎是正弦輸出波形而達(dá)到了如下的結(jié)果：

1）電機(jī)不需要“降額”使用;

2）沒有額外的對電機(jī)繞組的絕緣要求;

3）將新型VSD控制用于老電機(jī)的改造是安全的和經(jīng)濟(jì)的;

4）噪聲水平只有用VSD驅(qū)動(dòng)而無輸出濾波器時(shí)的1/2。

這樣，VSD控制能夠驅(qū)動(dòng)具有相同銘牌參數(shù)的老電機(jī)，而用普通的中壓調(diào)速驅(qū)動(dòng)時(shí)它們要降額5～15％使用。因此，在老設(shè)備的改造中應(yīng)用這種新型的變頻器具有突出的優(yōu)點(diǎn)。

通過輸出濾波器的星形點(diǎn)接地，可以避免電機(jī)端的任何共模電壓，因此沒有因?yàn)樽冾l器驅(qū)動(dòng)而導(dǎo)致的軸電流問題。軸電流的測量是在線的，并以最快的速度報(bào)告出來。