高压大功率变频器技术

1、高压大功率变频器高压大功率变频器高压变频调速系统高压变频调速系统中中 国国 矿矿 业业 大大 学学电力传动与自动控制研究所电力传动与自动控制研究所二二O一一O年四月年四月 蒯松岩蒯松岩 (博士、副教授博士、副教授)高压大功率变频器高压大功率变频器第一章第一章 电力电子高压变电力电子高压变频器的主要类型频器的主要类型高压大功率变频器高压大功率变频器1. 概述 按国际标准(IEC 60038:1983)和中国国家标准(GB 156-2003)的规定。电压被分为245kv四个等级。 在135k电压段，我国使用3kv、6kv、10kv和35kv四个标准电压。习惯上将3kv、6 kV、10kv电动机称为

2、高压电动机，相应地,将用于驱动该电压等级电动机的变频器通称为高压变频器。高压大功率变频器高压大功率变频器 在欧美国家，在此电压区段常见的标准电压有3.3kV、6.6kv、11kV、4.16kV(该电压仅适用于北美洲)等多种，归属中压范畴，相应电压等级的变频器一般称中压变频器。 高压变频器是应高压交流电动机无级调速的需要而诞生的，它利用电力电子器件的通断作用将工频电源变换成为了另一种频率的电能控制装置，直接供给高压电动机使用。高压变频器是迄今为止最理想的高压电动机的调速装置。高压大功率变频器高压大功率变频器1.1 高压变频器的发展 高压变频器是随着大功率电力电子器件的迅速发展而发展起来的，只要电

3、力电子器件有了新的发展，高压变频器就一定有个新飞跃。从主回路结构上来看，高压变频器的发展可分为两个阶段。高压大功率变频器高压大功率变频器 第一阶段是以晶闸管(SCR)作为主要电力电子器件的交交型高压变频器产品; 第二阶段是广泛采用了双极性晶体管(GTR)、绝缘栅双极性晶体管(IGBT)、集成门极换流晶闸管(I GCT)等电力电子器件的交-直-交型高压变频器产品。高压大功率变频器高压大功率变频器 国外第一台高压变频器交一交变频调速的异步电动机矢量控制系统，由日本的东芝电器公司在1980年研制成功.电动机容量为1800kw。 1981年，德国西门子公司研制成功了交一交变频的同步电动机矢量控制系统，

4、电动机容量为4000kw。 1982年，口本富士公司研制成功了交一交变频的同步电动机调速系统.用于初轧万L主传动，电动机容量2500kw。高压大功率变频器高压大功率变频器 国内开发、研制工作是从20世纪80年代末开始的，到20世纪90年代陆续推出了国产的高压变频器。 1994年，冶金部自动化研究院为天津中板厂成功研制了5000kw轧机全数字交一交变频同步电动机调速系统。高压大功率变频器高压大功率变频器1.2 高压变频器的工作原理、 电路构成 1.2.1 工作原理 按照电机学的基本原理，交流异步电动机的转速满足如下的关系式: 式中: n电动机的实际转速; no电动机的同步转速: p电动机的极对数

5、; f电动机的运行频率; s电动机的滑差。060n(1)(1)fsnsp高压大功率变频器高压大功率变频器 从式中看出，电动机的同步转速no正比于电动机的运行频率(no=60f/p)。由于滑差s一般情况下比较小(00.05)，电动机的实际转速n约等于电动机的同步转速no，所以调节电动机的供电频率f,就能改变电动机的实际转速。这就是高压变频器的工作原理。 高压大功率变频器高压大功率变频器 电动机的滑差s和负载有关，负载越大则滑差越大。在电源频率不变的情况下，电动机的实际转速还会随负载的增加而略有下降。高压大功率变频器高压大功率变频器1.2.2 电路构成 高压变频器的技术种类多种多样。但是，无论对哪

6、种产品而言。从电路构成上来说，高压变频器的电路都分为主电路和控制电路两部分，其电路框图如图1-1所示。高压大功率变频器高压大功率变频器 主电路(IGBT、IGCT、GTR等电力电子器件做逆变器件)给电动机提供调压、调频电源:此电源的输出电压或输出电流及频率，由控制电路的控制指令进行控制;而控制指令则根据外部的运转指令进行运算获得;高压大功率变频器高压大功率变频器 对于需要更精密速度控制或快速响应的场合，运算内容还应包含变频器主电路和传动系统检测出来的信号;保护电路除用于防止因变频器主电路的过电压、过电流引起的损坏外.还应保护电动机及传动系统。高压大功率变频器高压大功率变频器 图1-1高压变频器

7、的电路框图高压大功率变频器高压大功率变频器 1、主电路 给电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为变频器的主电路。通常，高压变频器的主电路由三部分构成,即将工频电源电压变换为直流功率的整流器，吸收整流器和逆变器产生的电压或电流脉动的滤波电路,以及将直流功率变换为交流功率的逆变器。 高压大功率变频器高压大功率变频器 2、控制电路 给异步电动机供电(电压、频率可调)的主电路提供控制信号的电路，称为控制电路。如图1-1所示，在点画线框内，仅以控制电路A部分构成控制电路时，无速度检测电路，为开环控制:在控制电路B部分，增加了速度检测电路，因此，对于转速指令，可以进行使电动机的转速控制更精确的闭环控制

8、。高压大功率变频器高压大功率变频器 在控制电路中.又包括以下几部分电路。 运算电路。 将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。 电压、电流检测电路。 与主电路电位隔离，检测电压、电流等的电路。 驱动电路。 为驱动开关器件的电路。它与控制电路隔离，使主电路开关器件导通、关断。 高压大功率变频器高压大功率变频器 速度检测电路。 以装在电动机轴上的速度传感器的信号为速度信号，将其送入运算电路，根据指令和运算结果可使电动机按指令转速运转， 保护电路。 检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止变频器和异步电动机的损坏，使变频器停止

9、工作或抑制电压、电流值。通常，保护电路可分为变频器保护和异步电动机保护两种。高压大功率变频器高压大功率变频器1.2.3 分类 按电压等级分类按电压等级分类 按电压等级不同，变频器可分为;高压变领器、中压变频器和低压变频器。 按照国际惯例,电压10kV时称高压,110kV为中压，1kv时称低压。与其电压范围相对应的变频器分别称为高压变频器、中压变频器、低压变频器。 在我国，习惯上把10kV、6KV或3kV的电动机均称为高压电动机，相应的电压为10kV、6kV或3kV的变频器均称高压变频器。高压大功率变频器高压大功率变频器1.2.3 交交-直直-交和交交和交-交变压变频器交变压变频器

10、 从整体结构上看，电力电子变压变频器可分为交-直-交和交-交两大类。 1.交交-直直-交变压变频器交变压变频器 交-直-交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流，如1-2图所示。高压大功率变频器高压大功率变频器 交-直-交变压变频器基本结构图1-2 交-直-交（间接）变压变频器 变压变频变压变频(VVVF)中间直流环节中间直流环节恒压恒频恒压恒频(CVCF)逆变逆变DCACAC50Hz整流整流高压大功率变频器高压大功率变频器 由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流环节”，所以又称间接式的变压变频器。 具体的整流和逆变电

11、路种类很多，当前应用最广的是由二极管组成不控整流器和由功率开关器件（P-MOSFET，IGBT等）组成的脉宽调制（PWM）逆变器，简称PWM变压变频器，如1-3图所示。高压大功率变频器高压大功率变频器 交-直-交PWM变压变频器基本结构图1-3 交-直-交PWM变压变频器变压变频变压变频(VVVF)中间直流环节中间直流环节恒压恒频恒压恒频(CVCF)PWM逆变器逆变器DCACAC50Hz调压调频调压调频C高压大功率变频器高压大功率变频器 PWM变压变频器的应用之所以如此广泛，是由于它具有如下的一系列优点： （1）在主电路整流和逆变两个单元中，只有逆变单元可控，通过它同时调节电压和频率，结构简单

12、。采用全控型的功率开关器件，只通过驱动电压脉冲进行控制，电路也简单，效率高。 高压大功率变频器高压大功率变频器 （2）输出电压波形虽是一系列的PWM波，但由于采用了恰当的PWM控制技术，正弦基波的比重较大，影响电机运行的低次谐波受到很大的抑制，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。高压大功率变频器高压大功率变频器 （3）逆变器同时实现调压和调频，动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响，系统的动态性能也得以提高。 （4）采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因素较高，且不受逆变输出电压大小的影响。 高压大功率变频器高压大功率变频器 PWM变压变频器常用的功率开关器件有：P-MOSFET

13、，IGBT，GTO和替代GTO的电压控制器件如IGCT、IEGT等。 受到开关器件额定电压和电流的限制，对于特大容量电机的变压变频调速仍只好采用半控型的晶闸管（SCR），并用可控整流器调压和六拍逆变器调频的交-直-交变压变频器，见图1-4。 高压大功率变频器高压大功率变频器 普通交-直-交变压变频器的基本结构SCR可控可控整流器整流器六六 拍拍逆变器逆变器DCACAC50Hz调频调频调压调压图1-4 可控整流器调压、六拍逆变器调频的交-直-交变压变频器高压大功率变频器高压大功率变频器2. 交-交变压变频器 交-交变压变频器的基本结构如下图所示，它只有一个变换环节，把恒压恒频（CVCF）的交流电

14、源直接变换成VVVF输出，因此又称直接式变压变频器。 有时为了突出其变频功能，也称作周波变换器（Cycloconveter）。 高压大功率变频器高压大功率变频器 交-交变压变频器的基本结构图1-5 交-交（直接）变压变频器交交变频交交变频AC50HzACCVCFVVVF高压大功率变频器高压大功率变频器 常用的交-交变压变频器输出的每一相都是一个由正、反两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路。 也就是说，每一相都相当于一套直流可逆调速系统的反并联可逆线路（图1-5a）。高压大功率变频器高压大功率变频器交-交变压变频器的基本电路结构VRVFId-Id+-+a) 电路结构负负载载50Hz50Hzu0

15、图1-5-a 交-交变压变频器每一相的可逆线路高压大功率变频器高压大功率变频器交-交变压变频器的控制方式 整半周控制方式整半周控制方式 正、反两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压 u0 ， u0 的幅值决定于各组可控整流装置的控制角 ， u0 的频率决定于正、反两组整流装置的切换频率。如果控制角一直不变，则输出平均电压是方波，如图1-5 b 所示。高压大功率变频器高压大功率变频器图1-5 -b 方波型平均输出电压波形tu0正组通正组通反组通反组通正组通正组通反组通反组通输出电压波形高压大功率变频器高压大功率变频器 控制方式（ 2 ） 调制控制方式调制控制方式 要获得正弦波输出，

16、就必须在每一组整流装置导通期间不断改变其控制角。例如例如：在正向组导通的半个周期中，使控制角 由/2（对应于平均电压 u0 = 0）逐渐减小到 0（对应于 u0 最大），然后再逐渐增加到 /2（ u0 再变为0），如图1-6所示。高压大功率变频器高压大功率变频器2AOw t 0 2 BCDEFu0图1-6 交-交变压变频器的单相正弦波输出电压波形输出电压波形高压大功率变频器高压大功率变频器 当角按正弦规律变化时，半周中的平均输出电压即为图中虚线所示的正弦波。对反向组负半周的控制也是这样。 高压大功率变频器高压大功率变频器 单相交交变频电路输出电压和电流波形1OO23456图4-20uoiowt

17、wt高压大功率变频器高压大功率变频器 三相交交变频电路 三相交交变频电路可以由3个单相交交变频电路组成，其基本结构如下图所示。 如果每组可控整流装置都用桥式电路，含1个晶闸管（当每一桥臂都是单管时），则三相可逆线路共需31个晶闸管，即使采用零式电路也须18个晶闸管。高压大功率变频器高压大功率变频器 三相交交变频器的基本结构高压大功率变频器高压大功率变频器 输出星形联结方式三相交交变频电路高压大功率变频器高压大功率变频器三相桥式交交变频电路高压大功率变频器高压大功率变频器 图1-8 交-交变频器的结构示意图高压大功率变频器高压大功率变频器 因此，这样的交-交变压变频器虽然在结构上只有一个变换环节

18、，省去了中间直流环节，看似简单，但所用的器件数量却很多，总体设备相当庞大。 不过这些设备都是直流调速系统中常用的可逆整流装置，在技术上和制造工艺上都很成熟，目前国内有些企业已有可靠的产品。高压大功率变频器高压大功率变频器 这类交-交变频器的其他缺点是：输入功率因数较低，谐波电流含量大，频谱复杂，因此须配置谐波滤波和无功补偿设备。其最高输出频率不超过电网频率的 1/3 1/2，一般主要用于轧机主传动、球磨机、水泥回转窑等大容量、低转速的调速系统，供电给低速电机直接传动时，可以省去庞大的齿轮减速箱。高压大功率变频器高压大功率变频器 近年来又出现了一种采用全控型开关器件的矩阵式交-交变压变频器，类似

19、于 PWM控制方式，输出电压和输入电流的低次谐波都较小，输入功率因数可调，能量可双向流动，以获得四象限运行，但当输出电压必须为正弦波时，最大输出输入电压比只有0.811。目前这类变压变频器尚处于开发阶段，其发展前景是很好的。 高压大功率变频器高压大功率变频器3 电压源型和电流源型逆变器电压源型和电流源型逆变器 在交-直-交变压变频器中，按照中间直流环节直流电源性质的不同，逆变器可以分成电压源型电压源型和电流源型电流源型两类，两种类型的实际区别在于直流环节采用怎样的滤波器实际区别在于直流环节采用怎样的滤波器。图1-9绘出了电压源型和电流源型逆变器的示意图。 高压大功率变频器高压大功率变频器 两种

20、类型逆变器结构逆变器逆变器LdIdCdUdUd+-a) 电压源逆变器b) 电流源逆变器图1-9 电压源型和电流源型逆变器示意图高压大功率变频器高压大功率变频器 1.电流源型变频器 常规电流源变频器输入端采用可控整流,控制电流的大小;中间采用大电感,对电流进行平滑。逆变桥将直流电流转换为频率可变的交流电流，供给交流电动机。负载换流式电流源型变频器(LCI)的结构如图1-10所示。高压大功率变频器高压大功率变频器 图1-10 负载换流式电流源型变频器的结构示意图高压大功率变频器高压大功率变频器 2.电压源型变频器 电压源型变频器输入端一般不可控，大多采用二极管进行全波整流;中间采用大电容滤波，对电

21、压进行平滑。逆变桥采用PWM控制技术，既控制电压输出波形中交流基波的幅值大小，也控制交流基波电压的频率。电压源型变频器的结构如图1-11所示。高压大功率变频器高压大功率变频器 图1-11 电压源型变频器的结构示意图高压大功率变频器高压大功率变频器 性能比较 两类逆变器在主电路上虽然只是滤波环节的不同，在性能上却带来了明显的差异，主要表现如下： （1）无功能量的缓冲）无功能量的缓冲 在调速系统中，逆变器的负载是异步电机，属感性负载。在中间直流环节与负载电机之间，除了有功功率的传送外，还存在无功功率的交换。滤波器除滤波外还起着对无功功率的缓冲作用，使它不致影响到交流电网。高压大功率变频器高压大功率

22、变频器 因此，两类逆变器的区别还表现在采用什么储能元件（电容器或电感器）来缓冲无功能量。 （2）能量的回馈）能量的回馈 用电流源型逆变器给异步电机供电的电流源型变压变频调速系统有一个显著特征，就是容易实现能量的回馈，从而便于四象限运行，适用于需要回馈制动和经常正、反转的生产机械。高压大功率变频器高压大功率变频器 下面以由晶闸管可控整流器UCR和电流源型串联二极管式晶闸管逆变器CSI构成的交-直-交变压变频调速系统（如下图所示）为例，说明电动运行和回馈制动两种状态。高压大功率变频器高压大功率变频器图6-16-a 电流源型交-直-交变压变频调速系统的两种运行状态M3+-UdIdLdCSI 电动Te

23、 逆变UCRa）电动运行 电动运行状态P高压大功率变频器高压大功率变频器 当电动运行时，UCR的控制角 w ，电动机以转速运行，电功率的传送方向如上图a所示。高压大功率变频器高压大功率变频器图6-16-b 电流源型交-直-交变压变频调速系统的两种运行状态M3+-UdIdLdCSI 90o有源逆变1 发电Te整流UCRb）逆变运行逆变运行状态P高压大功率变频器高压大功率变频器 如果降低变压变频器的输出频率 w1，或从机械上抬高电机转速 w ，使 w1 90 ，则异步电机转入发电状态，逆变器转入整流状态，而可控整流器转入有源逆变状态，此时直流电压Ud 立即反向，而电流 Id 方向不变，电能由电机回

24、馈给交流电网（图b）。 高压大功率变频器高压大功率变频器 与此相反，采用电压源型的交-直-交变压变频调速系统要实现回馈制动和四象限运行却很困难，因为其中间直流环节有大电容钳制着电压的极性，不可能迅速反向，而电流受到器件单向导电性的制约也不能反向，所以在原装置上无法实现回馈制动。高压大功率变频器高压大功率变频器 必须制动时，只得在直流环节中并联电阻实现能耗制动，或者与UCR反并联一组反向的可控整流器，用以通过反向的制动电流，而保持电压极性不变，实现回馈制动。这样做，设备要复杂多了。 高压大功率变频器高压大功率变频器性能比较（续） （3）动态响应）动态响应 正由于交-直-交电流源型变压变频调速系统

25、的直流电压可以迅速改变，所以动态响应比较快，而电压源型变压变频调速系统的动态响应就慢得多。 （4）输出波形）输出波形 电压源型逆变器输出的电压波形为方波，电流源型逆变器输出的电流波形为方波（见下表）。 高压大功率变频器高压大功率变频器性能比较（续）两种逆变器输出波形比较高压大功率变频器高压大功率变频器性能比较（续） （4）应用场合）应用场合 电压源型逆变器属恒压源，电压控制响应慢，不易波动，所以适于做多台电机同步运行时的供电电源，或单台电机调速但不要求快速起制动和快速减速的场合。采用电流源型逆变器的系统则相反，不适用于多电机传动，但可以满足快速起制动和可逆运行的要求。高压大功率变频器高压大功率

26、变频器4 按电平数分类 按电平数不同，变频器可分为:两电平变频器、三电平变频器、多电平变频器。 1.两电平变频器 两电平变频器的典型电路结构如图1-12所示，其输出线电压波形如图1-13所示。高压大功率变频器高压大功率变频器图1-12 两电平变频器典型电路结构示意图 高压大功率变频器高压大功率变频器 假设整流桥整流输出电压为E，直流母线中点为参考电位点，由于上、下管只能互补工作，则每个桥臂的输出电压要么为+E/2要么为E/2，只有两个状态，所以称为两电平。但对于变频器输出的线电压而言，则存在+E、0、-E三个电平状态。高压大功率变频器高压大功率变频器拓扑结构两电平两电平MRST+-VDC li

27、nkDC link busbarDC link busbarRST+-VDC linkDC link busbarDC link busbarEquivalent circuit of inverterInverter with IGBTs and free-wheeling diodes M101010带带 IGBT 和续流二极管的逆变器和续流二极管的逆变器等效电路图等效电路图变频器每次只切换一次的运行变频器每次只切换一次的运行 Vmax = VDC link高压大功率变频器高压大功率变频器 图1-13 两电平变频器输出线电压波形高压大功率变频器高压大功率变频器 2.三电平变频器 三电平PW

28、M电压源型变频器采用12只可关断功率器件(IGBT或高压IG BT与钳位二极管构成带中性点的逆变电路(NPC)。同一个桥臂中，V1和V3:互补，V2和V4互补。假设每个整流桥整流输出电压为E。则每相对中点Z的输出电压有+E、0、-E共三个状态，所以称三电平。高压大功率变频器高压大功率变频器 与两电平PWM变频器相比，其输出电压的电平数增加，易于实现谐波的相互补偿，输出波形有所改善。三电平变频器输出的线电压，则存在+2E、+E、0、-E、-2E五个电平状态。三电平变频器典型电路结构如图1-14所示。其输出线电压波形如图1-15所示。高压大功率变频器高压大功率变频器 图1-14 三电平变频器典型结

29、构电路示意图三电平高压逆变器三电平高压逆变器M3+-直流环节网侧整流器03电平逆变器DC100 Hz1 Hz50/60 Hz3-ph. 2.3 - 36 kV AC50/60 Hz高压大功率变频器高压大功率变频器三三电平输出逆变器+-直流环节03 电平逆变器L1L2L3L1L2L3t1U1V1V2V5V6v3v4高压大功率变频器高压大功率变频器电机侧逆变器0+_逆变器每相结构 Ud2Ud2+0_交流电动机直流环节3电平逆变器00高压大功率变频器高压大功率变频器图1-15三电平变频器输出线电压波形高压大功率变频器高压大功率变频器(+)(0)(0)()(+) 2 电平/ 3电平 电压源型直流环节连

30、接变频器的比较UdPhase-phase voltage U12 电平逆变器3 电平逆变器ABCDEUd负载电流05101520load currenttimemsec+0-+-高压大功率变频器高压大功率变频器 3.单元串联多电平变频器 当输出电压为610kV时，一般采用多电平电路形式(CMSL)，它是由若干个低压PWM变频功率单元，以输出电压串联方式(功率单元为三相输入、单相输出)来实现直接高压输出的方法。相对于两电平和三电平变频器，单元串联多电平变频器的输出电压电平数更多，电压梯度变化更小，波形更接近正弦波。多电平变频器典型电路结构如图1-16所示，其输出线电压波形如图1-17所示。高压大

31、功率变频器高压大功率变频器 图1-16多电平变频器典型电路结构示意图高压大功率变频器高压大功率变频器 图1-17多电平变频器输出线电压波形高压大功率变频器高压大功率变频器5 按控制方式分类按控制方式分类 按控制方式不同，变频器可分为: 恒压频比控制 矢量控制 直接转矩控制。高压大功率变频器高压大功率变频器1.3 常见的高压变频器产品 随着电力电子功率器件的快速发展，出现了各种各样的高压变频器产品。目前，在市场上应用较多、技术比较可靠的产品有两电平电流源型高压变频器、三电平电压源型高压变频器和单元串联多电平的高压变频器。高压大功率变频器高压大功率变频器1.3.1 两电平电流源型高压变频器两电平电

32、流源型高压变频器 高-高电流源方式的高压变频器电路结构示意图如图1-18所示。其输入侧为了防止共模电压和降低谐波，一般加入了隔离变压器，采用晶闸管进行多脉冲可控整流;直流环节采用电感储能:逆变侧用SGCT作为开关器件，进行电流的PWM控制(必须有滤波器配合)。由于器件的耐压水平有限，必须采用多个器件串联，为传统的两电平结构，电流源型高压变频器产品的典型代表是AB公司的Bulletin 1557M和Power Flex 7000。 高压大功率变频器高压大功率变频器 电流源型变频器的突出特点是:当输入侧采用晶闸管进行移相整流时，随着负载的下降，晶闸管触发角后移，导致变频器的网侧功率因数逐步下降，负

33、载越轻，功率因数下降越多，所以往往需要进行功率因数补偿。高压大功率变频器高压大功率变频器 由于功率因数是随负载不断变化的,常规的静态无功补偿装置难以适应这种变化，一般总处于欠补或过补的工况。电流源型变频器的这种特性如图1-19所示。高压大功率变频器高压大功率变频器 图1-18 高-高电流源方式的高压变频器电路结构示意图图1-19 电流源型变频器中功率因数与负载的关系高压大功率变频器高压大功率变频器 问题:器件串联的均压问题 由于电流源型高压变频器需要器件串联，而这些器件都工作在开关状态，稳态导通时，器件承受的电压为零。稳态关断时，施加在桥臂两端的电压由所有串联器件所分担，这时漏电流小的器件将承

34、受比平均值高的电压值。在桥臂导通的动态过程中，导通较慢的器件将承受比平均值高的电压值。桥臂关断的动态过程中,关断较快的器件也将承受比平均值高的电压值。 高压大功率变频器高压大功率变频器 为了解决分压不均的问题，首先必须挑选开关特性一致、漏电流一致的器件组成桥臂。如果器件特性不一致，承受过高电压的器件击穿短路后，所有电压将由剩余器件承担，继而导致桥臂的其他器件因过电压而损坏:而且同桥臂鉴件特性的一致性要求较高，给备品、备件增加了一定困难。高压大功率变频器高压大功率变频器 基于输入侧的可控整流,电流源型变频器先天具有能量回馈优势。当负载处于发电状态时，只要将整流桥触发角进一步后移，使整流桥进入逆变

35、工作状态，能量就可以从变频器回馈到电网。在矿井提升、频繁正反转的轧机、大惯性负载的紧急制动等场合，一般广泛应用电流源型变频器。 高压大功率变频器高压大功率变频器 为了解决输入侧功率因数低及谐波大的问题，目前国外生产电流源型变频器的厂家对产品进行了改进，如图1-20所示。其输入侧取消了隔离变压器,代之以输入滤波器,整流桥也采用SGCT器件串联，进行PWM整流，可以实现对输入侧功率因数的调节，同时降低网侧谐波。但这种变频器价格昂贵，使用成本高昂。高压大功率变频器高压大功率变频器 图1-20 改进型的电流源型变频器高压大功率变频器高压大功率变频器 电流源型高压变频器的特点归纳如下: 电网侧功率因数低

36、，谐波大,而且随着工况的变化而变，补偿困难; 输出端需要滤波器(一般设备内置)，电流波形无法实现全范围优化: 抗电网波动能力差，超过一15%一般立即停机; 抗负载短路能力强，一般不会因负载短路引起设备故障; 在保护措施上，一般不允许直接带载跳闸，否则易导致设备过压损坏;高压大功率变频器高压大功率变频器 存在器件串联均压问题,可靠性差，备件困难; 采用SGCT器件，最高输出电压6.6KV，未见10KV产品; 变压器可以异地安装，但增加了现场施工量; 为了改善输入侧的功率因数，降低谐波含量，整流桥也可以采用PWM整流，但造价高昂; 电流源型变频器的最大优点是可以四象限运行,但是需要回馈能量的负载毕

37、竟不是太多,多以电流源型变频器的市场竞争能力已经逐渐变弱。高压大功率变频器高压大功率变频器1.3.2 三电平电压源型高压变频器三电平电压源型高压变频器 三电平电压源型高压变频器的典型电路结构如图1-21所示,其输入端采用12脉冲整流，两个三相全桥串联。直流回路采用电容储能，逆变桥由高压IGBT或IGCT组成三电平式电路，中心点用二极管钳位。三电平电压源型高压变频器产品的典型代表是西门子公司的SIMOVERT MV系列和ABB公司的ACS1000,ACS6000系列。高压大功率变频器高压大功率变频器 图1-21 三电平电压源型高压变频器的典型电路结构高压大功率变频器高压大功率变频器 由图1-21

38、可见，三电平电压源型高压变频器逆变桥的一个桥臂中，V1和V3互补，V2和V4互补。从表1-1可以看出，任何时候都不会出现两个器件同时导通或同时关断的情形。所以不存在器件串联的均压问题。 高压大功率变频器高压大功率变频器 假设每个整流桥整流输出电压为E，两个整流桥的串联点为参考电位点，根据V1V4四个器件的开关状态变化，每相输出对中点Z的电压可为+E、0、-E共三个状态，所以称三电平，如图1-22所示。相应的另一相对中点Z的电位也是+E、0、-E三个状态,两个相电压相减后形成的线电压将有+2E、+E、0、-E、-2E共五个电平状态。高压大功率变频器高压大功率变频器 图1-22三电平输出的相电压及

39、线电压高压大功率变频器高压大功率变频器 常规的三电平电压源型高压变频器，一般采用12脉冲全波整流，由于其整流器件为二极管，所以能量不能回馈到电网。 为了实现能量回馈和改善网侧电能指标，现在三电平变频器输入侧采用可控PWM整流，输入谐波低，输入功率因数可调,电动机调速动态性能较高。高压大功率变频器高压大功率变频器 图1-23三电平网侧电压和电流波形高压大功率变频器高压大功率变频器 输出侧线电压为五电平波形，电压跳变台阶为一半的直流母线电压，dv/dt较大，谐波失真达到29%,电流失真可以达到17%,如图1-24所示。高压大功率变频器高压大功率变频器 图1-24三电平输出侧电压波形和电流波形高压大

40、功率变频器高压大功率变频器 三电平电压源型高压变频器具有如下特点: 输入一般采用12脉冲整流方式，对谐波要求严格时仍然需要进行谐波抑制; 输出侧的谐波含量较高，dv/dt较大，仍然需要滤波器(一般在设备内置)，否则影响电动机绝缘:高压大功率变频器高压大功率变频器 受器件耐压水平限制，最高电压输出只能到4.16KV，有些变频器通过内置变压器升压，可以提供6kV输出，目前在进口产品中，没有见到10kV的产品; 三电平电压源型高压变频器主回路器件发生故障时，只能停机。无法实现“带病”降额运行;高压大功率变频器高压大功率变频器 电动机电压和电网电压不等，不便于系统旁路(采用星/三角转换方式的6kV电动

41、机必须重新改回星形连接); 主器件数较少，但辅助器件较多; 由于整流变压器与变频器的整流电路部分连线不多，整流变压器可以独立于变频器而分开放置。 高压大功率变频器高压大功率变频器 三电平电压源型高压变频器由于输出电压不高的问题，主要的应用范围为一些特种领域，如轧钢机、轮船驱动、机车牵引、提升机等，这些领域的电动机都是特殊定制的，电压可以不是标准电压。三电平电压源型高压变频器的更大发展有待于更高耐压的功率器件的出现和现有产品可靠性的进一步提高。高压大功率变频器高压大功率变频器1.3.3 单元串联多电平高压变频器 功率单元串联多电平高压变频器的工作原理图如图1-25所示。此变频器采用多个低压的功率

42、单元串联实现高压输出，输入侧的降压变压器采用移相方式,可有效消除对电网的谐波污染，输出侧采用多电平正弦PWM技术可适用于任何电压的普通电动机。高压大功率变频器高压大功率变频器 另外某个功率单元在出现故障时，可自动退出系统.而其余的功率单元可继续保持电动机的运行，减少停机时造成的损失。系统采用模块化设计，模块出现故障时可迅速替换。由此可见，单元串联多电平高压变频器的市场竞争力很强.高压大功率变频器高压大功率变频器 图1-25 功率单元串联多电平高压变频器工作原理图高压大功率变频器高压大功率变频器1.4 高压变频器的功用 高压电动机利用高压变频器可以实现无级调速，满足生产工艺过程对电动机调速控制的

43、要求，以提高产品的产量和质量，又可大幅度节约能源，降低生产成本，减少环境污染。同时，高压变频器还具有减少启动电流的功能，能够延长机组的使用寿命。因此。高压变频器在生产实际中,产生了巨大的社会效益和经济效益,其功用表现为以下几个方面。高压大功率变频器高压大功率变频器 1.显著的节能效益 2.优化运行工艺 多台传送带电动机，根据所生产的产品，通过调整传送带的速度来提高生产率。在传送带上应用变频工艺控制系统具有以下优点: 提高生产率。 可利用现有设备、传送带上的齿轮电动机和传送带进行改动。 可用一台变频器来控制多数电动机的驱动，这些电动机均并接到一台变频器.通过变频器的频率设定可以保证多台电动机的同

44、步运行。 高压大功率变频器高压大功率变频器 可调的运行速度。 可调的转矩极限。 可逆运行控制。 减少机械传动部件。高压大功率变频器高压大功率变频器 3.提高生产效率和机组自动化水平 保证加工工艺中的最佳转速 适应负载不同工况的最佳转速 设备的自动化程度提高 多台电动机的统一控制 机械装置的简单化,标准化 运行可靠性的提高高压大功率变频器高压大功率变频器 4.改善控制品质 高精度的准确停车 平滑的加减速 高精度的转速控制 5.延长设备使用寿命 控制电动机的启动电流 可控的加速功能 受控的停止方式 平均转速下降而使设备寿命延长高压大功率变频器高压大功率变频器变压变频调速的基本控制方式变压变频调速的

45、基本控制方式 第第 2 章章高压大功率变频器高压大功率变频器 概概 述述 异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论是高速还是低速时效率都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。高压大功率变频器高压大功率变频器2.1 变压变频调速的基本控制方式变压变频调速的基本控制方式 在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量 m 为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。高压大功率变频

46、器高压大功率变频器 对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿， m 保持不变是很容易做到的。 在交流异步电机中，磁通 m 由定子和转子磁势合成产生，要保持磁通恒定就需要费一些周折了。 高压大功率变频器高压大功率变频器定子每相电动势mNs1g44. 4SkNfE （2-1） 式中：Eg 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为V； 定子频率，单位为Hz； 定子每相绕组串联匝数； 基波绕组系数； 每极气隙磁通量，单位为Wb。 f1NskNsm高压大功率变频器高压大功率变频器 由式（2-1）可知，只要控制好 Eg 和 f1 ，便可达到控制磁通m 的目的，对此，需要考虑基频（额

47、定频率）以下和基频以上两种情况。 高压大功率变频器高压大功率变频器1. 基频以下调速 由式（2-1）可知，要保持 m 不变，当频率 f1 从额定值 f1N 向下调节时，必须同时降低 Eg ，使 1gfE常值 （2-2） 即采用恒值电动势频率比的控制方式采用恒值电动势频率比的控制方式。 高压大功率变频器高压大功率变频器 恒压频比的控制方式 然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压 Us Eg，则得（2-3） 这是恒压频比的控制方式恒压频比的控制方式。常值1fUs高压大功率变频器高压大功率变频器 但是，在低频时 Us 和 Eg 都

48、较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。这时，需要人为地把电压 Us 抬高一些，以便近似地补偿定子压降近似地补偿定子压降。 带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于图2-1中的 b 线，无补偿的控制特性则为a 线。 高压大功率变频器高压大功率变频器OUsf 1图2-1 恒压频比控制特性 带压降补偿的恒压频比控制特性UsNf 1Na 无补偿无补偿 b 带定子压降补偿带定子压降补偿 高压大功率变频器高压大功率变频器2. 基频以上调速 在基频以上调速时，频率应该从 f1N 向上升高，但定子电压Us 却不可能超过额定电压UsN ，最多只能保持Us = UsN ，这将迫使磁通与频率成反比地降低，

49、相当于直流电机弱磁升速的情况。 把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如图2-2所示。 高压大功率变频器高压大功率变频器f1N 变压变频控制特性图2-2 异步电机变压变频调速的控制特性 恒转矩调速恒转矩调速UsUsNmNm恒功率调速恒功率调速mUsf1O高压大功率变频器高压大功率变频器 如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化，按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。返回目录返回目录高压大功率变频器高压大功率变频器2.2 异步电

50、动机电压频率协调控制时异步电动机电压频率协调控制时 的机械特性的机械特性本节提要本节提要 恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性特性 基频以下电压基频以下电压-频率协调控制时的机械特性频率协调控制时的机械特性 基频以上恒压变频时的机械特性基频以上恒压变频时的机械特性 恒流正弦波供电时的机械特性恒流正弦波供电时的机械特性高压大功率变频器高压大功率变频器2.2.1 恒压恒频正弦波供电时异步电动机的恒压恒频正弦波供电时异步电动机的 机械特性机械特性 当定子电压 Us 和电源角频率 w1 恒定时，异步电机在恒压恒频正弦波供电时的机械特性方程式 Te= f (s)可

51、以改写成如下形式： 2rs2122rsr121spe)()(3llLLsRsRRsUnTwww（2-4） 高压大功率变频器高压大功率变频器 特性分析当s很小时，可忽略上式分母中含s各项，则（2-5） 也就是说，当s很小时，转矩近似与s成正比，机械特性 Te = f（s）是一段直线，见图2-3。sRsUnTr121spe3ww高压大功率变频器高压大功率变频器 特性分析（续） 当 s 接近于1时，可忽略式（2-4）分母中的Rr ，则 sLLRsRUnTll1)(32rs212sr121spewww（2-6）即s接近于1时转矩近似与s成反比，这时， Te = f（s）是对称于原点的一段双曲线。高压大

52、功率变频器高压大功率变频器 机械特性 当 s 为以上两段的中间数值时，机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段，如图所示。smnn0sTe010TeTemaxTemax图2-3 恒压恒频时异步电机的机械特性高压大功率变频器高压大功率变频器2.2.2 基频以下电压基频以下电压-频率协调控制时的频率协调控制时的 机械特性机械特性 由式（2-4）机械特性方程式可以看出，对于同一组转矩 Te 和转速 n（或转差率s）的要求，电压 Us 和频率 w1 可以有多种配合。 在 Us 和 w1 的不同配合下机械特性也是不一样的，因此可以有不同方式的电压频率协调控制。 高压大功率变频器高压大功率变频器1. 恒压频比控

53、制（ Us /w1 ） 在第1-1节中已经指出，为了近似地保持气隙磁通不变，以便充分利用电机铁心，发挥电机产生转矩的能力，在基频以下须采用恒压频比控制。这时，同步转速自然要随频率变化。 p10260nnw（2-7） 高压大功率变频器高压大功率变频器 在式（1-5）所表示的机械特性近似直线段上，可以导出 21sper13wwUnTRs（2-9） 带负载时的转速降落为 1p0260wsnsnn（2-8） 高压大功率变频器高压大功率变频器 由此可见，当 Us /w1 为恒值时，对于同一转矩 Te ，sw1 是基本不变的，因而 n 也是基本不变的。这就是说，在恒压频比的条件下改变频率 w1 时，机械特

54、性基本上是平行下移，如图2-4所示。它们和直流他励电机变压调速时的情况基本相似。高压大功率变频器高压大功率变频器 所不同的是，当转矩增大到最大值以后，转速再降低，特性就折回来了。而且频率越低时最大转矩值越小。2rs21s1s21spmaxe)(123llLLRRUnTwww（2-10）高压大功率变频器高压大功率变频器 可见最大转矩 Temax 是随着的 w1 降低而减小的。频率很低时，Temax太小将限制电机的带载能力，采用定子压降补偿，适当地提高电压Us，可以增强带载能力，见图2-4。高压大功率变频器高压大功率变频器 机械特性曲线eTOnN0n03n02n01nN1w11w12w13w131

55、211N1wwww图2-4 恒压频比控制时变频调速的机械特性补 偿 定 子 压降后的特性高压大功率变频器高压大功率变频器2. 恒 Eg /w w1 控制 下图再次绘出异步电机的稳态等效电路，图中几处感应电动势的意义如下： Eg 气隙（或互感）磁通在定子每相绕组中 的感应电动势； Es 定子全磁通在定子每相绕组中的感应电 动势； Er 转子全磁通在转子绕组中的感应电动势 （折合到定子边）。 高压大功率变频器高压大功率变频器图2-5 异步电动机稳态等效电路和感应电动势 Usw1RsLlsLlrLmRr /sIsI0Ir 异步电动机等效电路EgEsEr高压大功率变频器高压大功率变频器 特性分析 如果

56、在电压频率协调控制中，恰当地提高电压 Us 的数值，使它在克服定子阻抗压降以后，能维持 Eg /w1 为恒值（基频以下），则由式（2-1）可知，无论频率高低，每极磁通 m 均为常值。高压大功率变频器高压大功率变频器 特性分析（续）由等效电路可以看出 2r212rgrlLsREIw（2-11）代入电磁转矩关系式，得2 r2122 rr121gpr2r212r2g1pe33llLsRRsEnsRLsREnTwwwww（2-12） 高压大功率变频器高压大功率变频器特性分析（续） 利用与前相似的分析方法，当s很小时，可忽略式（2-12）分母中含 s 项，则 sRsEnTr121gpe3ww（2-13）

57、 这表明机械特性的这一段近似为一条直线。高压大功率变频器高压大功率变频器特性分析（续） 当 s 接近于1时，可忽略式（2-12）分母中的 Rr2 项，则 sLsREnTl132 r1r21gpeww（2-14） s 值为上述两段的中间值时，机械特性在直线和双曲线之间逐渐过渡，整条特性与恒压频比特性相似。高压大功率变频器高压大功率变频器 性能比较 但是，对比式（2-4）和式（2-12）可以看出，恒 Eg /w1 特性分母中含 s 项的参数要小于恒 Us /w1 特性中的同类项，也就是说， s 值要更大一些才能使该项占有显著的份量，从而不能被忽略，因此恒 Eg /w1 特性的线性段范围更宽。高压大

58、功率变频器高压大功率变频器性能比较（续） 将式（2-12）对 s 求导，并令 dTe / ds = 0，可得恒Eg /w1控制特性在最大转矩时的转差率 r1rmlLRsw（2-15） 和最大转矩r21gpmaxe123lLEnTw（2-16） 高压大功率变频器高压大功率变频器性能比较（续） 值得注意的是，在式（2-16）中，当Eg /w1 为恒值时，Temax 恒定不变，如下图所示，其稳态性能优于恒 Us /w1 控制的性能。 这正是恒 Eg /w1 控制中补偿定子压降所追求的目标。 高压大功率变频器高压大功率变频器 机械特性曲线eTOnN0n03n02n01nN1w11w12w13w1312

59、11N1wwwwTemax图2-6 恒 Eg /w1 控制时变频调速的机械特性高压大功率变频器高压大功率变频器3. 恒 Er /w w1 控制 如果把电压频率协调控制中的电压再进一步提高，把转子漏抗上的压降也抵消掉，得到恒 Er /w1 控制，那么，机械特性会怎样呢？由此可写出 sREI/rrr（2-17） 高压大功率变频器高压大功率变频器代入电磁转矩基本关系式，得 r121rpr2r2r1pe33RsEnsRsREnTwww（2-18） 现在，不必再作任何近似就可知道，这时的机械特性完全是一条直线，见图2-7。高压大功率变频器高压大功率变频器0s10Te 几种电压频率协调控制方式的特性比较图

60、2-7 不同电压频率协调控制方式时的机械特性恒 Er /w1 控制恒 Eg /w1 控制恒 Us /w1 控制ab c高压大功率变频器高压大功率变频器 显然，恒 Er /w1 控制的稳态性能最好，可以获得和直流电机一样的线性机械特性。这正是高性能交流变频调速所要求的性能。 高压大功率变频器高压大功率变频器4几种协调控制方式的比较 综上所述，在正弦波供电时，按不同规律实现电压频率协调控制可得不同类型的机械特性。 （1）恒压频比（ Us /w1 = Constant ）控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，但低速带载能力有些差强人意，须对定子压降实行