高壓變頻器應(yīng)用分析

1、高壓變頻器應(yīng)用分析1 引言 近年來，各種高壓變頻器不斷出現(xiàn)，高壓變頻器到目前為止還沒有像低壓變頻器那樣近乎統(tǒng)一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。根據(jù)高電壓組成方式可分為直接高壓型和高低高型;根據(jù)有無中間直流環(huán)節(jié)可以分為交-交變頻器和交-直-交變頻器;在交直交變頻器中，按中間直流濾波環(huán)節(jié)的不同，可分為電壓源型和電流源型。直接高壓交-直-交變頻器直接輸出高壓，無需輸出變壓，效率高，輸出頻率不受限制，應(yīng)用較為廣泛。評價(jià)高壓變頻器的指標(biāo)主要有:成本、可靠性、對電網(wǎng)的諧波污染、輸入功率因數(shù)、輸出諧波、dv/dt、共模電壓、系統(tǒng)效率、能否四象限運(yùn)行等。本文主要從使用高壓變頻器后對電網(wǎng)的諧波污染、功率因數(shù)等方面討論高壓變頻器對電

2、網(wǎng)的影響，并從高壓變頻器的輸出諧波、dv/dt、共模電壓等方面討論高壓變頻器對電機(jī)的影響。變頻器對電網(wǎng)的影響主要取決于變頻器整流電路的結(jié)構(gòu)和特性。高壓變頻器輸出對電機(jī)的影響主要取決于逆變電路的結(jié)構(gòu)和特性。美國的NEMA標(biāo)準(zhǔn)中對電機(jī)諧波發(fā)熱、dv/dt等方面的相應(yīng)規(guī)定，具體規(guī)定是在MGI- 1993的第30節(jié)。 2 高壓變頻器對電網(wǎng)的諧波污染 近年來，高壓變頻器的應(yīng)用越來越廣泛，由于高壓變頻器相對來說容量較大，占整個(gè)電網(wǎng)容量的比重較為顯著，所以高壓變頻器對電網(wǎng)的諧波污染問題已經(jīng)不容忽視。許多場合由于采用了輸入諧波電流較高的變頻器，產(chǎn)生了嚴(yán)重的諧波污染問題。從本質(zhì)上而言，任何高壓變頻器或多或少會產(chǎn)

3、生輸入諧波電流，只是程度不同而已。解決諧波污染的辦法有二種: 一是采取諧波濾波器，對高壓變頻器產(chǎn)生的諧波進(jìn)行治理，以達(dá)到供電部門的要求，也即通常所說的“先污染，后治理”的辦法; 二是采用產(chǎn)生諧波電流小的變頻器，變頻器本身基本上不對電網(wǎng)造成諧波污染，即所謂的“綠色”電力電子產(chǎn)品，從本質(zhì)上解決諧波污染問題。國際上對電網(wǎng)諧波污染控制的標(biāo)準(zhǔn)中，應(yīng)用較為普遍的是IEEE519-1992，我國也有相應(yīng)的諧波控制標(biāo)準(zhǔn)。圖1 6脈沖晶閘管整流電路 圖1示出了一種常見的6脈沖晶閘管整流電路結(jié)構(gòu)，主要用于各種電流源型變頻器。這種整流電路結(jié)構(gòu)簡單，但是輸入電流中含有很高的諧波分量，輸入電流的5次諧波可達(dá)20，7次諧

4、波可達(dá)12(圖2)。由于晶閘管的快速換相會產(chǎn)生一定的高次諧波，可達(dá)35次以上，高次諧波會對通信線路產(chǎn)生一定的干擾。這種整流電路總的諧波電流失真約為30，由于輸入諧波較高，一般要設(shè)置輸入諧波濾波器，濾波器的設(shè)計(jì)與電網(wǎng)參數(shù)和負(fù)載工況都有關(guān)系，一旦參數(shù)和工況發(fā)生變化，濾波器又得重新調(diào)整，十分不便，且影響濾波效果。但此方案較為經(jīng)濟(jì)，一般適用于變頻器占電網(wǎng)負(fù)荷較小比例下安裝。 12脈沖晶閘管整流電路，整流器由兩組晶閘管整流橋串聯(lián)而成, 分別由輸入變壓器的兩組副邊(星型和三角形， 互差30°電角度)供電。這種整流電路的優(yōu)點(diǎn)是把整流電路的脈沖數(shù)由6脈沖提高到12脈沖, 帶來的好

5、處是大大降低了5次和7次諧波電流。因?yàn)閷чl管整 流電路而言, 諧波電流近似為基波電流的1/h倍, h為諧波次數(shù)，h=n×p±1, 其中n是自然數(shù), p為脈沖數(shù)。12脈沖整流結(jié)構(gòu)總諧波電流失真約 為10左右(圖2)。雖然12脈沖整流電路的諧波電流比6脈沖結(jié)構(gòu)大大下降, 但也不能達(dá)到IEEE519-1992標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的在電網(wǎng)短路電流小于20 倍負(fù)載電流時(shí)諧波電流失真小于5的要求。因此, 一般也要安裝諧波濾波裝置。采用12脈沖結(jié)構(gòu)還能避免器件的直接串聯(lián)，變壓器也可承受變頻器產(chǎn)生的共模 電壓中的絕大部分, 使電機(jī)

6、絕緣不受共模電壓的影響。當(dāng)然, 變壓器也要設(shè)計(jì)成為能夠承受原邊和副邊的諧波電流。圖3顯示了18脈沖晶閘管整流電路結(jié)構(gòu)，電路由三組晶閘管整流串聯(lián)而成，變壓器三組副邊均為三角形，互差 20°電角度。這個(gè)整流電路具有12脈沖結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，但其總諧波電流失真小于5.6%，總諧波電壓失真小于2%，基本符合IEEE519-1992標(biāo)準(zhǔn)規(guī) 定，無需安裝諧波濾波裝置。晶閘管直流整流電路和二極管整流電路除了6脈沖結(jié)構(gòu)和12脈沖結(jié)構(gòu)外，還可以采取更高脈沖數(shù)的結(jié)構(gòu)，如18脈沖，24脈沖，輸入諧波也會隨著降低，但會導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本增加。目 前，大多數(shù)PWM電壓源型變頻器都采用二極管整流電路，如

7、果整流電路采取全控型電力電子器件的PWM(高壓時(shí)一般采用三電平PWM結(jié)構(gòu))控制，其結(jié)構(gòu)與逆 變部分基本對稱，則可以做到輸入電流基本為正弦波，諧波成分很低，功率因數(shù)可調(diào)，且能量可雙向流動(dòng)。當(dāng)然系統(tǒng)的復(fù)雜和成本也大大增加了。這種雙PWM結(jié)構(gòu) 的三電平高壓變頻器預(yù)計(jì)在軋機(jī)，卷揚(yáng)機(jī)等要求四象限運(yùn)行和較高動(dòng)態(tài)性能的場合，會取代傳統(tǒng)的交交變頻器。圖3 18脈沖晶閘管整流電路3  高壓變頻器的輸入功率因數(shù)        在晶閘 管電流源型整流電路中，中間直流環(huán)節(jié)的電壓正比于電機(jī)線電壓額定值乘以運(yùn)行點(diǎn)

8、電機(jī)實(shí)際的功率因數(shù)，再乘以轉(zhuǎn)速百分比。所以，對于風(fēng)機(jī)水泵等平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載， 直流環(huán)節(jié)電壓會隨著轉(zhuǎn)速的下降而很快降低，所以輸入整流電路必須將觸發(fā)角后移，這樣導(dǎo)致輸入功率因數(shù)很快下降。另一個(gè)解釋是，由于整流器電流和逆變器電流 一般相等，負(fù)載所需的無功電流會直接“反射”到電網(wǎng)，導(dǎo)致輸入功率因數(shù)較低。我們也可以從能量轉(zhuǎn)換角度來分析這個(gè)問題。    根據(jù)變頻器輸入，輸出功率關(guān)系，有:        UinIincosjinh =UoutIoutcosjout對電流源型變頻器有I

9、in=Iout，所以  cosjin=(Uout/Uinh)cosjout=(f/fnomh)cosjout式中，Uin變頻器輸入電壓;     Uout變頻器輸出電壓;     Iin變頻器輸入電流;     Iout變頻器輸出電流;     cos jin變頻器輸入功率因數(shù);     cos jout變頻

10、器輸出功率因數(shù);     f變頻器輸出頻率;    fnom變頻器輸入頻率，即電源頻率;         h變頻器效率。     可見普通電流源型變頻器的輸入功率因數(shù)較低，且會隨著轉(zhuǎn)速的下降而降低，為了解決輸入功率因數(shù)較低的問題，往往需要功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，同時(shí)也起到消除部分 諧波電流的作用。功率因數(shù)補(bǔ)償裝置既增加成本和體積，又降低了系統(tǒng)的效率和可靠性。在使用電流源型變頻器的場合

11、，由于存在諧波，在一定的參數(shù)配合下，功率 因數(shù)補(bǔ)償電路可能產(chǎn)生并聯(lián)諧振現(xiàn)象，危及電容器本身和附近電氣設(shè)備的安全，因此，并聯(lián)電容組的設(shè)計(jì)中必須考慮諧波放大問題。為了抑制諧波放大，通?？刹煞?避開諧振點(diǎn)的方法，即無論是集中補(bǔ)償和分散就地補(bǔ)償?shù)碾娙萜鹘M均要串聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娍蛊鳌?#160;   二極管整流電路在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)都有較高的 功率因數(shù)，基波功率因數(shù)一般可保持在0.95以上(這是指位移因數(shù)，實(shí)際功率因數(shù)由于諧波的存在，還必須再乘以基波因數(shù)，會有所下降)，一般也不必設(shè)置功 率因數(shù)補(bǔ)償裝置。因?yàn)橛袨V波電容存在，負(fù)載所需的無功電流可以通過逆變器由濾波電容提供，所以一般不會

12、反映到整流器輸入側(cè)。由于輸入功率因數(shù)較高，輸入變 壓器和整流器只需處理有功電流，有利于提高系統(tǒng)的效率。采用全控型電力電子器件的PWM型整流電路，其功率因數(shù)可調(diào)，可以做到接近于1，根據(jù)要求，也可做成超前的功 率因數(shù)，對電網(wǎng)起到部分無功補(bǔ)償?shù)淖饔谩卧?lián)多電平PWM變頻器功率因數(shù)較高，在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)可達(dá)到0.95以上。屬于“綠色”電力電子產(chǎn)品，但由 于其成本相對較高，主要用軋機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)等要求四象限運(yùn)行和動(dòng)態(tài)性能較高的場合。    4  輸出諧波對電機(jī)的影響      

13、0; 輸出諧波對電機(jī)的影響主要有:引起電機(jī)附加發(fā)熱，導(dǎo)致電機(jī)的額外溫升，電機(jī)往往要降額使用;由于輸出波形失真，增加電機(jī)的重復(fù)峰值電壓，影響電機(jī)絕緣，諧波還會引起電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，噪音增加。     電流源型變頻器種類很多，主要有串聯(lián)二極管式、輸出濾波器換相式、負(fù)載換相式(LCI)和GTO-PWM式等。圖4為典型的電流源型變頻器示意圖。普通的 電流源型變頻器輸出電流波形和輸入電流波形極為相似，都是120°的方波，含有豐富的諧波成分，總諧波電流失真可達(dá)到30%左右。為了降低輸出諧波，也有 采用輸出12脈沖方案或設(shè)置輸出濾波器，輸出諧波會有較大

14、改善，但系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性也會大大增加。輸出濾波器換相式電流源型變頻器固有的濾波器可以給 脈沖輸出電流中的諧波分量提供通路，所以速度較高時(shí)，電機(jī)電流波形有所改善。GTO-PWM電流源型變頻器電機(jī)電流質(zhì)量的提高主要是通過GTO采用諧波消 除的電流PWM開關(guān)模式來實(shí)現(xiàn)，但受到GTO開關(guān)頻率上限的限制。圖4 電流源型變頻器     在PWM電壓源型變頻器中，當(dāng)輸出電壓較高時(shí)，通常采取三電平PWM方式，也稱NPC(Netural Point Clamped中點(diǎn)箝位)方式，整流 電路一般采用二極管，逆變部分功率器件采用GTO，IGBT

15、或IGCT。與普通的二電平PWM變頻器相比，由于輸出相電壓電平數(shù)增加到3個(gè)，每個(gè)電平幅值 相對下降，且提高了輸出電壓諧波消除算法的自由度，可使輸出波形質(zhì)量比二電平PWM變頻器有較大的提高。為了減少輸出諧波，希望有較高的開關(guān)頻率，但這樣 會導(dǎo)致變頻器損耗增加，效率下降，開關(guān)頻率一般不超過2kHz。如果不加輸出濾波器，三電平變頻器輸出電流總諧波失真可以達(dá)到17左右，不能使用普通的 異步電機(jī)。普通電流源型變頻器的輸出電流不是正弦波，而是120°的方波，因而三相合成磁動(dòng)勢不是恒速旋轉(zhuǎn)的，而是步進(jìn) 磁動(dòng)勢，它和基本恒速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩除了平均轉(zhuǎn)矩以外，還有脈動(dòng)的分量。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的平

16、均值為0，但它會使轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不均勻，產(chǎn)生脈動(dòng)，在 電機(jī)低速時(shí)，還會發(fā)生步進(jìn)現(xiàn)象，在適當(dāng)?shù)臈l件下，可能引起電機(jī)與負(fù)載組成的機(jī)械系統(tǒng)的共振。脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩主要是由基波旋轉(zhuǎn)磁通和轉(zhuǎn)子諧波電流相互作用產(chǎn)生的。 在三相電機(jī)中，產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的主要是6n±1次諧波。6脈沖輸出電流源型變頻器輸出電流中含有豐富的5次和7次諧波，5次諧波產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁勢與基波旋轉(zhuǎn)磁 反向，7次諧波產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁勢與基波旋轉(zhuǎn)磁勢同向，而電機(jī)轉(zhuǎn)子的電氣旋轉(zhuǎn)速度基本接近基波磁勢的旋轉(zhuǎn)速度(二者的判別對應(yīng)于電機(jī)的轉(zhuǎn)差率)，所以5次諧波 磁勢和7次諧波磁勢都會在電機(jī)轉(zhuǎn)子中感應(yīng)產(chǎn)生6倍于基波頻率的轉(zhuǎn)子諧波電流?；ㄐD(zhuǎn)磁勢和6倍頻的轉(zhuǎn)子諧波

17、電流共同作用，產(chǎn)生6倍頻的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，所以6 脈沖輸出電流源型變頻器含有較大的6倍頻脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。同樣，11次和13次諧波電流也會產(chǎn)生一個(gè)12倍頻的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。    電流源型變頻器采用12脈沖多重化后，輸出電流波形更接近正弦波，由于5次和7次諧波大大降低，6倍頻率脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩大大減小，剩下主要為12倍頻的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，總的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯降低。    5  輸出dv/dt對電機(jī)的影響         普通的二電平和三電平PWM電壓源型

18、變頻器由于輸出電壓跳變臺階較大，相電壓的跳變分別達(dá)到直流母線電壓和直流母線電壓的一半，同時(shí)由于逆變器功率器件開 關(guān)速度較快，會產(chǎn)生較大的電壓變化率，即dv/dt。較大的dv/dt會影響電機(jī)的絕緣，尤其當(dāng)變頻器輸出與電機(jī)之間電纜距離較長時(shí)，由于線路分布電感和 分布電容的存在，會產(chǎn)生行波反射作用，dv/dt會放大，在電機(jī)端子處可增加一倍以上，對電機(jī)絕緣引起損壞。所以這種變頻器一般需要特殊設(shè)計(jì)的電機(jī)，電機(jī) 絕緣必須加強(qiáng)。如果要使用普通電機(jī)，必須附加輸出濾波器。    6  電機(jī)設(shè)計(jì)和輸出電纜選擇方面的特殊問題  

19、0;      由于變頻器輸出諧波會引起電機(jī)附加溫升，電機(jī)容量必須適當(dāng)放大，熱參數(shù)降低使用。諧波使電機(jī)振動(dòng)，噪聲增加，電機(jī)應(yīng)采取低噪聲設(shè)計(jì)并避免可能產(chǎn)生的振動(dòng)， 臨界轉(zhuǎn)速必須避開整個(gè)工作轉(zhuǎn)速范圍。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力集中可能對電機(jī)部件引起損壞，電機(jī)關(guān)鍵部位必須加強(qiáng)。定、轉(zhuǎn)子槽形應(yīng)不同于標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)，以減少諧波引 起的銅耗。采取絕緣軸承，在必要時(shí)軸上安裝接地碳刷以避免軸電流對軸承的損壞。由于普通變頻器輸出波形中含有高次諧波成分，因集膚效應(yīng)而使線路等效電阻增 加，同時(shí)，在逆變器輸出低頻時(shí)，輸出電壓跟著降低，線路壓降占輸出電壓的比例增加，因此輸出電纜的截面

20、積應(yīng)當(dāng)比普通接線時(shí)放大一級。7  結(jié)束語        晶閘管整流的電流源型變頻 器(包括6脈沖結(jié)構(gòu)和12脈沖結(jié)構(gòu))有較大的輸入諧波電流，一般要設(shè)置輸入諧波濾波器以滿足有關(guān)部門對電網(wǎng)諧波失真的要求，或者采取更高輸入脈沖數(shù)的結(jié) 構(gòu)。其輸入功率因數(shù)較低，且會隨著轉(zhuǎn)速的下降而降低，一般都要設(shè)置功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。二極管整流的電壓源型變頻器在6脈沖輸入結(jié)構(gòu)時(shí)，輸入諧波電流較大， 需要采取濾波措施，12脈沖結(jié)構(gòu)時(shí)，諧波電流失真接近標(biāo)準(zhǔn)要求，在要求不是很高等場合可以直接使用。其輸入功率因數(shù)較高，一般不必采取功率因數(shù)補(bǔ)償措施。 采用全控型電力電子器件的PW