国产欧美日韩精品a在线观看-国产欧美日韩精品一区二区三区-国产欧美日韩精品综合-国产欧美中文字幕-一区二区三区精品国产-一区二区三区精品国产欧美

    丁海峰（1963— ）
男，江蘇南通人，工程師， (洛陽工業高等專科學校，河南  洛陽  471003） ，主要從事工業自動化設備研究設計工作。

摘要:介紹了中壓變頻原理，對中壓電動機變頻調速的技術特點和電路結構進行了分析。針對變頻設備的特殊使用環境，提出變頻設備對電動機運行的影響，計算結果與實驗測試結果相符合。實用表明多電平結構具有較好的前景。

關鍵詞：中壓變頻；逆變

Abstract: The paper describe the of medium voltageVF theory and nalyzes theVF timing technique of medium voltage motor and the circuit structure. Aiming at special working condition of frequency conversion equipments, We prqose that the inverter influences the motor. The calculating results are in concordance with the experimental ones. It is obvious that the multilevel structure will have foreseeable future.

Key words:  medium voltageVF; invert

1 引言

    工礦企業的中壓(1~10kV)交流電機應用較多，由于缺少合適的交流調速裝置，節能效果不理想。近年變頻技術日趨成熟，通過變頻控制電機轉速調節風量或流量可以節約大量的電能，風機、泵類電動機節電率可以達到30%~60%，節能效果非常顯著[1]。根據目前的控制方案，中壓變頻可以分為兩大類：一是有輸出變壓器的中-低-中方案；二是無輸出變壓器的中-中方案。本文對中壓變頻調速技術作出分析，并結合在應用過程中對電動機的影響問題進行討論。

2 多電平控制方案

    典型的多電平變換器結構將若干電平合成為正弦波，隨著電平數目的增加，合成的輸出波形臺階數也增加，使輸出電壓波形更逼近正弦波形。變頻器主回路中器件高速開關動作，造成對電機及周邊設備的影響不可忽視。因而多電平變頻器的作用引起人們的重視。多電平變頻器在防止尖峰電壓造成的電動機絕緣損壞以及防止軸電壓引起的電動機軸承電蝕方面效果良好，同時也大幅度減小了dv/dt引起的漏電流和噪音。我國標準中壓電壓等級為6KV和10KV，采用GTO元件的三電平結構是常用的方案，GTO單元電壓達4.5~6KV、電流為4~6KA，元件無需串并聯，變頻器容量即能到10MVA，滿足了大功率風機和水泵的驅動要求。多電平電路結構主要有三電平電路及派生形式。

    2.1   三電平電路

    三電平電路也稱NPC，具有直流母線上輸出正、負、零三值電壓的特點。主電路由圖1所示，每相電路有4只串聯的開關器件和2只箝位二極管，直流側濾波電容器用2只相同的由電容Cl、C2組成，等分直流母線的中性點電壓，作為相電壓輸出。設直流側電壓為Ud，每個電容器上的電壓為Uc，通過箝位二極管使每個功率器件上的電壓限制于電容器電壓Uc  之內。具體工作原理見文獻[2]。這種逆變器的輸入側整流器若采用電機側類似的多電平逆變器，即具備有功電能回饋功能，可實現電機四象限運行，電容器電壓均衡容易，電網諧波和輸入功率因數得以改善。但這種逆變器控制規律較復雜，不同的電動機控制方案按負載性質的不同采用了不同的PWM控制方法，而電容器電壓的均衡控制方法也因PWM  控制方法而異。目前，三電平變頻器產品采用的方案有V/F控制、轉子磁場定向控制以及直接轉矩控制等，更多電平的變頻器末見報道。特別的在大功率負載條件下，開關器件工作頻率較低，盡管可以配置輸出濾波器，但是最小脈寬及死區時間的影響不容忽視，使得逆變器的控制有一定困難。

圖1    三電平逆變器主電路

    2.2  多電平逆變器

    三電平變頻器擴展可實現多電平電路。以五電平級數設計為例，其原理是，每個單體單相逆變單元可以輸出+Vd、0、-Vd三種電平，將逆變器串聯，即構成多級電平電路，如圖2所示。設原單體逆變器有4個功率元件Si，其中Sl、S4 閉合輸出+Vd(即+l 電平)，S2、S3 閉合輸出-Vd (即-l電平)，Sl、S2閉合時或S3、S4閉合輸出零電平。實用的逆變單元串聯多電平變頻器主電路結構如圖3所示，其中A1、B1、C1組為超前相位組，A2、B2、C2為無相移組，A3、B3、C3為滯后相位組。此種結構采用功率單元串聯的方式，因此不存在元件均壓問題。輸入側采用多重移相變壓器，保證輸入電流近似正弦波，單相逆變單元串聯可輸出7種電平，使輸出電壓接近正弦波，將多電平與多重化結合在一起。輸出側由每個功率單元的輸出端子相互串聯成星型接法給電機供電，通過對每個單元的PWM波型進行重組，得到階梯的PWM波形，波形正弦度好，dv/dt小，可以降低輸出諧波及由此引起的電機振動、電機發熱、噪音等。從而減少對輸出電纜和電機的絕緣損壞，無須濾波器，電機不需降低容量使用。可以直接驅動普通鼠籠電機，特別適合舊設備的改造[3]。

圖2  單體單元構成的多電平電路



圖3  多電平變頻器主電路結構

    在實用設計時，通過不同的變壓比調節輸出電平的種類。例如，設變壓比為K1和K2的兩個單體逆變單元進行組合，可以輸出的正電平有：（K1-K2）Ui，K2 Ui，K1 Ui，（K1+K2）Ui ；若K1=K2，輸出的正電平數為2個；若K1≠K2，K1-K2≠K2，則正電平數為4個。設逆變單元串聯級數為m，輸出電平數為N，則有N=3m，表1列出有實用價值的組合，其中n為變壓比數量。

    表1  有實用價值的組合：

    2.3  多電平逆變器的特點

    （1）輸入電流諧波小，輸出電壓諧波小，理論上可通過增加級數使輸出接近正弦波形，電動機運轉平穩，省去了濾波器，輸出電壓臺階較小，dv/dt較小，有利于高壓電動機的絕緣；

    （2）無需箝位二極管，獲得相同電平數所需的單體數目最少；由于各單體的結構完全相同，實現模塊化設計，運行維護方便；一旦單體有故障時可以旁路，提高了可靠性設備；

    （3） 更加適合中高壓電動機的變頻裝置的大容量、高電壓的要求。
這種變頻器主要應用在風機泵類負載調速場合。

3 變頻器對電動機的影響

    變頻器輸出對電動機的影響主要取決于逆變電路的結構和特性。PWM逆變器的輸出是具有陡上升沿的系列脈沖，含有大量諧波分量，使電動機的損耗增大，效率降低，并產生電磁噪聲，而最大的影響是諧波導致轉矩的脈動，最終造成轉速的脈動[4]。因此高壓變頻器對電動機的影響及解決辦法，是當前人們研究的重要課題之一。

    3.1  輸出諧波的影響

    輸出諧波對電動機的影響主要有諧波引起電動機附加發熱、導致電動機的額外溫升，電動機要降額使用。由于輸出波形失真，增加電動機的重復峰值電壓，影響電動機絕緣，諧波還會引起電動機轉矩脈動、噪聲增加。高次諧波引起的損耗增加主要表現在定子銅損耗、轉子銅損耗、鐵損耗及附加損耗的增加。其中影響最為顯著的是轉子銅損耗，因為電動機轉子是以接近基波頻率旋轉速度旋轉的，因此對于高次諧波電壓來說，轉子總是在轉差率接近1的狀態下旋轉，所以轉子銅損耗較大，而且在這種狀態下，除了直流電阻引起的銅損耗外，還必須考慮由于集膚效應所產生的實際阻抗增加而引起的銅損耗。

    三電平變頻器與普通的二電平PWM變頻器相比，由于輸出相電壓電平數增加，每相電平幅值相對下降，提高了輸出電壓諧波消除算法的自由度，在相同開關頻率的條件下，可使輸出波形質量與二電平PWM變頻器比較有很大提高，但最壞條件下輸出電壓諧波失真可達29%，電動機電流諧波失真可達17%，此時需設置輸出濾波器或使用專用電動機[4]。

    對于單元串聯多電平變頻器，當輸出電壓為6kV等級時，典型的輸出電壓總諧波失真小于7%，大大低于普通的電流源型變頻器和三電平變頻器，輸出諧波都低于5%。對于一般的異步電動機，所產生的各次諧波電流均小于0.3%，電動機基本不會產生附加的諧波發熱、噪聲和轉矩脈動，所以不必設置輸出濾波器，可以直接使用普通的異步電動機。    根據電動機運動方程，因諧波原因產生電動機轉速的脈動分量可由下式表示:

   

    式中：ω₁為電動機基波角頻率；  n為變頻器輸出的諧波次數。
由上式可知轉速脈動的規律為：（1）轉速脈動頻率為電動機基波角頻率ω1的6n倍，幅值與變頻器輸出的基波角頻率ω1成反比，即輸出頻率越低，轉速波動越大。（2）轉速脈動幅值與變頻器輸出的諧波次數n成反比，即低次諧波所引起的轉速脈動比高次諧波的影響更大。電動機在低速運行情況下，為了使轉速波動量維持在同一水平，重要的是要抑制變頻器輸出的低次諧波。

    3.2  共模電壓和軸電流的影響

    變頻電路的共模電壓最大可接近相電壓的峰值，如果電源的中心點接地，電動機的機殼也接地，共模電壓施加于電動機定子繞組的中心點和機殼之間。共模電壓使電動機繞組承受的絕緣應力可達電網直接運行情況下的2倍，嚴重損壞電動機絕緣。變頻器的共模電壓中含有與開關頻率相對應的高頻分量，高頻的電壓分量會通過輸出電纜和電動機的分布電容產生對地高頻漏電流，影響逆變器功率電路的安全。電動機通過地產生的高頻漏電流，一部分通過繞組和轉子間的分布電容，經軸承到機殼然后到地，作用相當于軸電流，將引起電動機軸承的“電蝕”，影響軸承的壽命。

    3.3  du/dt的影響

    對普通的二電平和三電平變頻器而言，由于輸出電壓跳變電平較大，同時逆變器功率開關速度快，將產生大的du/dt，相當于在電動機繞組上重復施加陡度極大的沖擊電壓，使電動機絕緣受到損壞，特別當變頻器輸出與電動機之間電纜距離較長時，由于線路分布電感和分布電容的存在，會產生行波反射放大作用，在參數適合時，加到電動機繞組上的電壓會成倍增加，引起電動機絕緣損壞[5]，這種變頻器需要專用電動機。在相同輸出電壓等級前提下，采用三電平結構輸出du/dt有所下降，但要加輸出濾波器。

    單元串聯多電平變頻器最大的相電壓跳變等于一個單元的直流母線電壓，以6kV電壓變頻器為例，若跳變約為900V，電壓上升時間為0.3μs ，du/dt則達到3000V/μs，對6kV電動機而言，標準允許的范圍約為3919V/μs 。所以這類變頻器輸出不會使電動機絕緣受到損壞，可以使用普通的異步電動機[6]。

4 結論

    根據對運行經驗和原有的研究成果分析，對中壓變頻技術進行了深入討論。隨著電力開關器件的發展，變流電路主電路結構和控制技術不斷改進。今后的中壓變頻器呈現以下發展趨勢：

    （1）多電平結構是未來中壓變頻主電路的首選結構。多電平逆變器電路結構中，二極管箝位多電平；

    變流器更有發展前途。與單元串聯多電平變流器和浮動電容器變流器相比，二極管箝位多電平變流器可構成能量雙向流動系統，實現四象限運行，電路結構簡單，更有競爭力；

    （2）單元串聯方案局限性大，僅可用于電流源逆變器。如果單元方面取得突破，使單元串聯非常容易，應用才會有大的市場；

    （3）有輸出變壓器的中-低-中方案在風機和泵類負載電動機占有相當大的比例，對傳動系統動態指標要求不高的條件下，采用中-低-中方案投資小，維護容易，有優勢；

    （4）控制策略和控制方法是中高壓變頻技術的關鍵技術之一，變頻器主電路元器件的增加，要求控制策略和方法具有優化、可靠、多樣性，最終達到電動機高性能調速要求。

    本文中介紹了中壓變頻技術方案，多電平結構是中壓變頻主電路的優選結構。中壓變頻器目前還沒有統一的電路結構，伴隨著電力電子技術的進步，器件性能不斷提高，新的控制策略和控制方法等會出現各種各樣的電路結構，將給電動機變頻技術帶來新的變化。

作者信息：

    丁海峰，辛伊波 (洛陽工業高等專科學校，河南  洛陽  471003）