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

摘要:介紹了中壓變頻原理，對中壓電動機(jī)變頻調(diào)速的技術(shù)特點(diǎn)和電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。針對變頻設(shè)備的特殊使用環(huán)境，提出變頻設(shè)備對電動機(jī)運(yùn)行的影響，計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果相符合。實(shí)用表明多電平結(jié)構(gòu)具有較好的前景。

關(guān)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(yè)的中壓(1~10kV)交流電機(jī)應(yīng)用較多，由于缺少合適的交流調(diào)速裝置，節(jié)能效果不理想。近年變頻技術(shù)日趨成熟，通過變頻控制電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)風(fēng)量或流量可以節(jié)約大量的電能，風(fēng)機(jī)、泵類電動機(jī)節(jié)電率可以達(dá)到30%~60%，節(jié)能效果非常顯著[1]。根據(jù)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(diào)速技術(shù)作出分析，并結(jié)合在應(yīng)用過程中對電動機(jī)的影響問題進(jìn)行討論。

2 多電平控制方案

    典型的多電平變換器結(jié)構(gòu)將若干電平合成為正弦波，隨著電平數(shù)目的增加，合成的輸出波形臺階數(shù)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(guān)動作，造成對電機(jī)及周邊設(shè)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(jī)絕緣損壞以及防止軸電壓引起的電動機(jī)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(biāo)準(zhǔn)中壓電壓等級為6KV和10KV，采用GTO元件的三電平結(jié)構(gòu)是常用的方案，GTO單元電壓達(dá)4.5~6KV、電流為4~6KA，元件無需串并聯(lián)，變頻器容量即能到10MVA，滿足了大功率風(fēng)機(jī)和水泵的驅(qū)動要求。多電平電路結(jié)構(gòu)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(fù)、零三值電壓的特點(diǎn)。主電路由圖1所示，每相電路有4只串聯(lián)的開關(guān)器件和2只箝位二極管，直流側(cè)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(diǎn)電壓，作為相電壓輸出。設(shè)直流側(cè)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(nèi)。具體工作原理見文獻(xiàn)[2]。這種逆變器的輸入側(cè)整流器若采用電機(jī)側(cè)類似的多電平逆變器，即具備有功電能回饋功能，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)四象限運(yùn)行，電容器電壓均衡容易，電網(wǎng)諧波和輸入功率因數(shù)得以改善。但這種逆變器控制規(guī)律較復(fù)雜，不同的電動機(jī)控制方案按負(fù)載性質(zhì)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(chǎn)品采用的方案有V/F控制、轉(zhuǎn)子磁場定向控制以及直接轉(zhuǎn)矩控制等，更多電平的變頻器末見報道。特別的在大功率負(fù)載條件下，開關(guān)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(qū)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(kuò)展可實(shí)現(xiàn)多電平電路。以五電平級數(shù)設(shè)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(lián)，即構(gòu)成多級電平電路，如圖2所示。設(shè)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(shí)用的逆變單元串聯(lián)多電平變頻器主電路結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)采用功率單元串聯(lián)的方式，因此不存在元件均壓問題。輸入側(cè)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(lián)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(jié)合在一起。輸出側(cè)由每個功率單元的輸出端子相互串聯(lián)成星型接法給電機(jī)供電，通過對每個單元的PWM波型進(jìn)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(jī)振動、電機(jī)發(fā)熱、噪音等。從而減少對輸出電纜和電機(jī)的絕緣損壞，無須濾波器，電機(jī)不需降低容量使用。可以直接驅(qū)動普通鼠籠電機(jī)，特別適合舊設(shè)備的改造[3]。

圖2  單體單元構(gòu)成的多電平電路



圖3  多電平變頻器主電路結(jié)構(gòu)

    在實(shí)用設(shè)計時，通過不同的變壓比調(diào)節(jié)輸出電平的種類。例如，設(shè)變壓比為K1和K2的兩個單體逆變單元進(jìn)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(shù)為2個；若K1≠K2，K1-K2≠K2，則正電平數(shù)為4個。設(shè)逆變單元串聯(lián)級數(shù)為m，輸出電平數(shù)為N，則有N=3m，表1列出有實(shí)用價值的組合，其中n為變壓比數(shù)量。

    表1  有實(shí)用價值的組合：

    2.3  多電平逆變器的特點(diǎn)

    （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(shù)使輸出接近正弦波形，電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，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(jī)的絕緣；

    （2）無需箝位二極管，獲得相同電平數(shù)所需的單體數(shù)目最少；由于各單體的結(jié)構(gòu)完全相同，實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計，運(yùn)行維護(hù)方便；一旦單體有故障時可以旁路，提高了可靠性設(shè)備；

    （3） 更加適合中高壓電動機(jī)的變頻裝置的大容量、高電壓的要求。
這種變頻器主要應(yīng)用在風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載調(diào)速場合。

3 變頻器對電動機(jī)的影響

    變頻器輸出對電動機(jī)的影響主要取決于逆變電路的結(jié)構(gòu)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(jī)的損耗增大，效率降低，并產(chǎn)生電磁噪聲，而最大的影響是諧波導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩的脈動，最終造成轉(zhuǎn)速的脈動[4]。因此高壓變頻器對電動機(jī)的影響及解決辦法，是當(dāng)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(jī)的影響主要有諧波引起電動機(jī)附加發(fā)熱、導(dǎo)致電動機(jī)的額外溫升，電動機(jī)要降額使用。由于輸出波形失真，增加電動機(jī)的重復(fù)峰值電壓，影響電動機(jī)絕緣，諧波還會引起電動機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動、噪聲增加。高次諧波引起的損耗增加主要表現(xiàn)在定子銅損耗、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子銅損耗，因?yàn)殡妱訖C(jī)轉(zhuǎn)子是以接近基波頻率旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)的，因此對于高次諧波電壓來說，轉(zhuǎn)子總是在轉(zhuǎn)差率接近1的狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)，所以轉(zhuǎn)子銅損耗較大，而且在這種狀態(tài)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(yīng)所產(chǎn)生的實(shí)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(shù)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(guān)頻率的條件下，可使輸出波形質(zhì)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(dá)29%，電動機(jī)電流諧波失真可達(dá)17%，此時需設(shè)置輸出濾波器或使用專用電動機(jī)[4]。

    對于單元串聯(lián)多電平變頻器，當(dāng)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(jī)，所產(chǎn)生的各次諧波電流均小于0.3%，電動機(jī)基本不會產(chǎn)生附加的諧波發(fā)熱、噪聲和轉(zhuǎn)矩脈動，所以不必設(shè)置輸出濾波器，可以直接使用普通的異步電動機(jī)。    根據(jù)電動機(jī)運(yùn)動方程，因諧波原因產(chǎn)生電動機(jī)轉(zhuǎn)速的脈動分量可由下式表示:

   

    式中：ω₁為電動機(jī)基波角頻率；  n為變頻器輸出的諧波次數(shù)。
由上式可知轉(zhuǎn)速脈動的規(guī)律為：（1）轉(zhuǎn)速脈動頻率為電動機(jī)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(zhuǎn)速波動越大。（2）轉(zhuǎn)速脈動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)速脈動比高次諧波的影響更大。電動機(jī)在低速運(yùn)行情況下，為了使轉(zhuǎn)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(diǎn)接地，電動機(jī)的機(jī)殼也接地，共模電壓施加于電動機(jī)定子繞組的中心點(diǎn)和機(jī)殼之間。共模電壓使電動機(jī)繞組承受的絕緣應(yīng)力可達(dá)電網(wǎng)直接運(yùn)行情況下的2倍，嚴(yán)重?fù)p壞電動機(jī)絕緣。變頻器的共模電壓中含有與開關(guān)頻率相對應(yīng)的高頻分量，高頻的電壓分量會通過輸出電纜和電動機(jī)的分布電容產(chǎn)生對地高頻漏電流，影響逆變器功率電路的安全。電動機(jī)通過地產(chǎn)生的高頻漏電流，一部分通過繞組和轉(zhuǎn)子間的分布電容，經(jīng)軸承到機(jī)殼然后到地，作用相當(dāng)于軸電流，將引起電動機(jī)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(guān)速度快，將產(chǎn)生大的du/dt，相當(dāng)于在電動機(jī)繞組上重復(fù)施加陡度極大的沖擊電壓，使電動機(jī)絕緣受到損壞，特別當(dāng)變頻器輸出與電動機(jī)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(chǎn)生行波反射放大作用，在參數(shù)適合時，加到電動機(jī)繞組上的電壓會成倍增加，引起電動機(jī)絕緣損壞[5]，這種變頻器需要專用電動機(jī)。在相同輸出電壓等級前提下，采用三電平結(jié)構(gòu)輸出du/dt有所下降，但要加輸出濾波器。

    單元串聯(lián)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(dá)到3000V/μs，對6kV電動機(jī)而言，標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍約為3919V/μs 。所以這類變頻器輸出不會使電動機(jī)絕緣受到損壞，可以使用普通的異步電動機(jī)[6]。

4 結(jié)論

    根據(jù)對運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和原有的研究成果分析，對中壓變頻技術(shù)進(jìn)行了深入討論。隨著電力開關(guān)器件的發(fā)展，變流電路主電路結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)不斷改進(jìn)。今后的中壓變頻器呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢：

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

    變流器更有發(fā)展前途。與單元串聯(lián)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(gòu)成能量雙向流動系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，電路結(jié)構(gòu)簡單，更有競爭力；

    （2）單元串聯(lián)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(lián)非常容易，應(yīng)用才會有大的市場；

    （3）有輸出變壓器的中-低-中方案在風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載電動機(jī)占有相當(dāng)大的比例，對傳動系統(tǒng)動態(tài)指標(biāo)要求不高的條件下，采用中-低-中方案投資小，維護(hù)容易，有優(yōu)勢；

    （4）控制策略和控制方法是中高壓變頻技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)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(yōu)化、可靠、多樣性，最終達(dá)到電動機(jī)高性能調(diào)速要求。

    本文中介紹了中壓變頻技術(shù)方案，多電平結(jié)構(gòu)是中壓變頻主電路的優(yōu)選結(jié)構(gòu)。中壓變頻器目前還沒有統(tǒng)一的電路結(jié)構(gòu)，伴隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，器件性能不斷提高，新的控制策略和控制方法等會出現(xiàn)各種各樣的電路結(jié)構(gòu)，將給電動機(jī)變頻技術(shù)帶來新的變化。

作者信息：

    丁海峰，辛伊波 (洛陽工業(yè)高等專科學(xué)校，河南  洛陽  471003）