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高壓電壓源與電流源變頻器性能對比的討論

作者: 時間:2012-03-18 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  1 引言

  交-直-交的中間直流環(huán)節(jié)如果是用大電容平波通常稱為。如果分開來稱呼,則其后端逆變器部分叫逆變器(vsi),產(chǎn)品gb和iec標(biāo)準(zhǔn)也是這種稱呼。其前端整流部分對電網(wǎng)而言是一個諧波源,也就叫電壓型諧波源。與此相對照,交—直—交的中間直流環(huán)節(jié)如果用大電感平波就分別稱為型變頻器、逆變器(csi)、型諧波源。之所以要特別區(qū)分變頻器為和電流源兩大類是因?yàn)樗麄兊慕涣鬏斎腚娏鞑ㄐ魏妥冾l后輸出的交流電壓和交流電流的波形及性能都有很大的不同。

  2 電壓源逆變器(vsi)

  國內(nèi)應(yīng)用的低壓變頻器幾乎全是電壓源型,中間直流是用電容平波,直流電壓比較穩(wěn)定,它的逆變器輸出的電壓波形決定于逆變器的控制和調(diào)制方式,大體上可分為兩類電壓波形。

  2.1 矩形波電壓輸出

  如果輸出是雙重的,也可以是“凸”字形電壓波,總之離正弦形相去較遠(yuǎn),也就是說電壓波形中除了基波外,還有許多諧波電壓,至于在這種電壓波形下產(chǎn)生的電流則決定于電動機(jī)(還串有一段支線電纜)的阻抗(基波阻抗和諧波阻抗),輸出的基波電壓分量/基波阻抗可得到基波電流,輸出的諧波電壓分量/諧波阻抗可得到諧波電流,電動機(jī)的基波阻抗是感性的,因而其諧波感抗xh為基波感抗x1的h倍(h為各次諧波的諧波次數(shù)),矩形波電壓的諧波電壓分量為基波分量的1/h,因此,輸出矩形波電壓,得到的各次諧波電流為,以5次諧波電流為例約為基波電流的1/25=4%,7次為1/49≈2%,雖然諧波電流成分不大,但對電機(jī)仍有一定的負(fù)作用。變頻器輸出的諧波成分以諧波電壓危害嚴(yán)重,表現(xiàn)為電壓峰值和電壓上升率dv/dt,它威脅著電機(jī)的相間絕緣、對地絕緣和匝間絕緣,主要是電機(jī)進(jìn)線處的頭幾匝,對高壓電動機(jī)這個問題更為突出,這在文獻(xiàn)[1]中已有論述。

  矩形波或“凸”字形波電壓輸出的變頻器現(xiàn)已少見。

  2.2 pwm調(diào)制波電壓輸出

  這是現(xiàn)今最大量變頻器(無論是低壓或高壓變頻器)的輸出電壓波形,由于采用了正弦調(diào)制spwm,或其他更好的調(diào)制方式,使輸出電壓波形接近正弦波,這是指調(diào)制波的包絡(luò)線而言的,但每單個調(diào)制波的dv/dt更大了,這是因?yàn)檎{(diào)制頻率達(dá)到上千hz,為減少電力電子器件的損耗和發(fā)熱,采用的是高速通斷器件。不但每次的dv/dt更大,而且是反復(fù)加上dv/dt。由于行波現(xiàn)象,加到電機(jī)端上的電壓峰值也更高(不超過直流中間電壓的2倍)。至于輸出的電流波形和上一節(jié)輸出的矩形波電流相比,則諧波電流分量更小,電流波形相對更接近正弦波,這也就是為什么要采用pwm調(diào)制的理由。但du/dt和電壓峰值的威脅仍然存在,還更嚴(yán)重。此外還有許多對電機(jī)不利的影響如軸電流等。

  2.3 對策

  欲減少變頻器輸出中含有的浪涌的嚴(yán)重程度,在一定的條件下,可采取對策(連同其效果)如下:(詳見iec標(biāo)準(zhǔn)[1])

 ?。?) 改變電動機(jī)電纜的長度和將電纜接地,這將改變電動機(jī)端上的浪涌幅值,雖然此措施常常是困難的或不實(shí)際的。

  (2)采用有較高介質(zhì)損耗的電纜(例如丁基橡膠或油紙絕緣)。采用鐵材屏蔽的特種電纜也行。這些辦法將減少振蕩并改善電磁兼容(emc)性能。

 ?。?) 如果相—地之間出現(xiàn)問題,可對接地配置加以改變。

  (4) 裝設(shè)輸出電抗器,可增加峰值上升時間,它和電纜電容的聯(lián)合作用將減少行波峰值電壓。此時要考慮增加了電抗上的電壓降。

 ?。?) 裝設(shè)輸出dv/dt濾波器,可顯著增加峰值上升時間。采用此措施可增加電纜長度。

  (6)裝設(shè)輸出正弦波濾波器,可增加峰值上升時間。采用此方案的可能性決定于對象所要求的特性,特別是調(diào)速范圍與動態(tài)性能,它有兩種類型,類型i能同時減少相—相間和相—地間的電壓應(yīng)力;而類型ⅱ只能減少相—相間電壓應(yīng)力。此外這種濾波器可減少emc干擾和電動機(jī)的附加損耗和噪音,而且用了類型i濾波器后就可以采用標(biāo)準(zhǔn)的非屏蔽電纜。

 ?。?) 在電動機(jī)端附近裝設(shè)終端單元可抑制電動機(jī)端口的過電壓。

 ?。?) 降低每步脈沖的電壓幅度,例如采用三電平或多電平變流器。

  3 電流源逆變器(csi)

  國內(nèi)市場上出現(xiàn)的產(chǎn)品中只有ab公司的高壓變頻器,其他品牌的高壓變頻器以及全部低壓變頻器都不用這個csi方案,國內(nèi)新出現(xiàn)一書[7],對此論述最多,這個方案在技術(shù)原理上有特點(diǎn),為了搞清楚他的內(nèi)在實(shí)質(zhì),不妨探討一番,以便于和電壓源逆變器的性能比較。

  csi的構(gòu)造不同就是在整流后的中間直流環(huán)節(jié)用大電感平波,因而直流電流比較穩(wěn)定,所以叫電流源型(但不是恒流)。

  3.1 矩形波電流輸出

  最早出現(xiàn)的線路方案是采用晶閘管的串聯(lián)二極管式即采用強(qiáng)迫換流,還有驅(qū)動同步電動機(jī)采用負(fù)載換流,由于當(dāng)今市面上應(yīng)用很少,這里對線路原理不再介紹,下面只討論他的外部特性。在科技書籍里介紹csi特點(diǎn)次數(shù)多的當(dāng)推文獻(xiàn)[4],csi的主要特點(diǎn)如下:

 ?。?) 中間直流電流基本無脈動,直流回路呈現(xiàn)高阻抗;

 ?。?) 交流側(cè)輸出電流為矩形波,與負(fù)載阻抗角無關(guān);

  (3) 交流側(cè)輸出電壓波形和相位決定于負(fù)載阻抗;

  (4)當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時需要提供無功功率,為反饋無功能量,電流并不反向,因此不必像電壓型逆變器一樣要給開關(guān)器件反并二極管,直流側(cè)電感可以貯存與釋放無功能量;

 ?。?) 同理,有功能量通過可控晶閘管橋可以反饋回交流電網(wǎng),不要另設(shè)一套反饋到電網(wǎng)用逆變橋電路;

 ?。?) 對觸發(fā)信號的要求:對直流鏈總是要求有電流流通路徑而不能開路,對交流側(cè)不能有短路路徑。

  為什么輸出交流電流為矩形波?因?yàn)橹绷鱾?cè)有一個大電感,可以穩(wěn)定直流電流(但不是恒流)。為什么輸出交流電壓波形決定于負(fù)載阻抗?這是因?yàn)関=iz,這個式中的i是正向、反向都是120°寬的矩形波,(也可能是120°寬的凸字形波)z為負(fù)載感抗,可以分解為基波和特征諧波。交流電流側(cè)的負(fù)載為電動機(jī),其負(fù)載特性為阻感負(fù)載,對各次諧波而言,諧波感抗是基波感抗的h倍,h是特征諧波次數(shù)例如5、7等等,但是要注意,直流側(cè)的大電感對各次諧波而言,相當(dāng)于一個很大的電源內(nèi)抗,在這個大電感上會有很大的諧波電壓降,結(jié)果,輸出的交流電壓波形雖不是正弦波,但也決不是矩形波,比較接近于正弦波,其原因應(yīng)該是直流大電感上削去了大部分的諧波電壓。

  3.2 pwm調(diào)制波輸出

  被調(diào)制波的基波電流波形,由于是電流源所以為矩形波,經(jīng)過pwm調(diào)制后,電流波形的包絡(luò)線已初步接近正弦波,但免不了仍然有由調(diào)制頻率而產(chǎn)生的高頻電流波,他也會被中間直流環(huán)節(jié)的大電感所抑制,由于頻率高,受到的抑制作用更強(qiáng),所以交流輸出不論是電流波還是電壓波都是接近正弦波,基本理由應(yīng)該是大電感抑制特征諧波成分和高頻成分的結(jié)果。

  在高壓變頻器中,對電動機(jī)威協(xié)嚴(yán)重的除了輸出電壓幅值外主要是輸出交流電壓中的dv/dt,此高值的dv/dt,其本質(zhì)就是高頻電壓成分,同上面分析的道理一樣,由于直流大電感的抑制作用,使dv/dt值大為縮小。

  3.3 輸出、輸入端電容的濾波作用

  電流源逆變器脈寬調(diào)制(csi-pwm)輸出端都有一組并聯(lián)的電容器,此電容是為了在換流過程中提供電流通路而設(shè)(因直流回路電感量很大,電流不能關(guān)斷而宜另找通路),此旁


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