一種新型的高性能中壓電機變頻器

圖1新型變頻器的基本電路圖

1引言

用變速驅動(dòng)代替傳統的定速驅動(dòng)是當今節能的一個(gè)重要話(huà)題。但是它有兩個(gè)問(wèn)題：其一，新的調速裝置的總投資太高，投資的回收期太長(cháng)；其二，用新的驅動(dòng)裝置代替老的設備需要的時(shí)間太長(cháng)，導致生產(chǎn)停止太久。而本文介紹的一種新型變頻器，允許保留原有的電機，并且只要占用很小的空間，從而解決了上述兩個(gè)問(wèn)題。它是基于中性點(diǎn)鉗位（NPC）原理的新研發(fā)的電壓源變頻器（VSI）。為了滿(mǎn)足電機需要正弦波輸入電壓的要求，這種新型的變頻器配置了LC輸出濾波器。由于實(shí)現了正弦波供電，不需要更換現有的電機也不需要降額運行，或加強絕緣，并且基本上沒(méi)有額外的噪音。這些優(yōu)點(diǎn)已由電機制造商的測量得到證明。這種新型變頻器的結構非常緊湊，因為它采用了新開(kāi)發(fā)的叫做IGCT的功率半導體器件，而輸入變壓器可放在最便利的適當地方。

2新型變頻器

圖1所示為新型變頻器的基本電路圖。

2．1整流器

在不需要將再生能量反饋回電網(wǎng)的場(chǎng)合，12脈波二極管橋式整流器無(wú)論在費用、效率、可靠性和諧波等方面都是最佳的選擇。二極管是最廉價(jià)的半導體器件，且它的損耗要比可控型器件低。因為沒(méi)有控制電路，二極管橋損壞的可能性是很小的。當輸電線(xiàn)較

(a)變頻器側和電機側線(xiàn)電壓波形

(b)變頻器側電壓頻譜(每10個(gè)單位等于基波的1％)

(c)電機側電壓頻譜(每10個(gè)單位等于基波的1％)

一種新型的高性能中壓電機變頻器

圖24kV變頻器LC濾波器前后電壓波形與頻譜

短和饋電功率至少為電機驅動(dòng)功率的30倍時(shí)，可通過(guò)一個(gè)設計合理的隔離變壓器，使整流器的網(wǎng)側諧波保持在低于IEEE519－1992規定的最低限度。如果輸電網(wǎng)絡(luò )容量較小，或者有更為嚴格的諧波限制的話(huà)，則要采用24脈波的二極管整流器。

2．2逆變器

一個(gè)供4kV電機的逆變器可以運行在大約6kV的直流母線(xiàn)電壓。新的IGCT器件具有6kV峰值阻斷能力，3.3kV的直流阻斷能力。采用NPC拓撲結構，對于每一個(gè)串聯(lián)的半導體功率開(kāi)關(guān)，由于其獨特的分壓網(wǎng)絡(luò )，從而實(shí)現了器件數量的最小化。IGCT工作時(shí)不需要關(guān)斷緩沖網(wǎng)絡(luò )（吸收電路），減少了輔助元件的數量，這一點(diǎn)與GTO相比是相當可觀(guān)的。IGCT允許在平均開(kāi)關(guān)頻率為500Hz下工作，這時(shí)其損耗是可以接受的，加上三電平輸出電壓的波形優(yōu)勢，只需要使用一個(gè)小體積的LC輸出濾波器。圖2所示為一個(gè)4kV變頻器在加上LC輸出濾波器以前的逆變器輸出電壓的測量波形，同時(shí)也顯示了這個(gè)電壓的諧波分析，給出THD為12.8％。

IGCT作為一種晶閘管型的器件，比起晶體管型的器件IGBT有更小的通態(tài)損耗，其開(kāi)通和關(guān)斷損耗也比IGBT要低。但IGCT有一個(gè)缺點(diǎn)，它不能象IGBT一樣平滑地導通。為了保護單向導通的二極管在關(guān)斷時(shí)免受過(guò)大的di/dt的影響，IGCT逆變器在每一個(gè)變換通道裝設di/dt抑制器或di/dt電抗器。電抗器的去磁（放電）損耗與IGBT平滑導通時(shí)的損耗是一樣的。

2．3LC濾波器

LC濾波器的轉折共振頻率大約為360Hz，它與集成驅動(dòng)控制部分的濾波器共振阻尼控制一起作用，可得到一個(gè)近似的正弦波輸出電壓。圖2所示為電機電壓的測量波形和它的諧波分析。這個(gè)電壓的諧波含量（THD0.82％）低于IEEE519?1992關(guān)于線(xiàn)電壓諧波的限值。因此原有的和新的標準電機在這個(gè)電壓下運行不會(huì )有額外的損耗，也就是說(shuō)不必“降額”使用。

2．4共模電路

各類(lèi)變頻器的輸出電壓由于其開(kāi)關(guān)操作不是單純的正相序或負相序系統，總是存在一個(gè)零相序電壓系統（也經(jīng)常叫做共模電壓），但卻不會(huì )形成電流。但是，實(shí)際的系統是四線(xiàn)制系統，其零線(xiàn)（N）通常是接地的，而變頻器的輸入和輸出也是通過(guò)寄生電容接地的（主要是由于電纜的電容接地）。通過(guò)接地，電荷在輸出電容的星點(diǎn)（中性點(diǎn)）積聚，從而保護電機不受共模電壓的影響。這就避免了由于變頻器零相序電壓產(chǎn)生的軸向電流的危險。一個(gè)共模電抗器可以減小由于變頻器到輸入變壓器的電纜過(guò)長(cháng)而產(chǎn)生的寄生電容到地充放電電流的幅值。共模電抗器的功能基本上類(lèi)似變壓器。直流母線(xiàn)充電電流的影響僅僅通過(guò)其雜散電感，而共模電流的影響則是通過(guò)其主電感。從變壓器到整流器之間300m電纜的地線(xiàn)電流的測量結果表明：共模電抗器可將瞬時(shí)峰值地線(xiàn)電流減小到1/5。

2．5保護

每一個(gè)附加的部件象保險絲都會(huì )降低變頻器的可靠性及增加設備的費用，耐壓數kV的低額定電流的保險絲是代價(jià)很高的元件。新的變頻器用兩只叫做“保護IGCT”的半導體開(kāi)關(guān)器件代替直流保險絲，當變頻器發(fā)生故障時(shí)，它可以立即將整流器與直流母線(xiàn)隔離。其反應是如此之快，使母線(xiàn)電流不會(huì )大于其正

常值水平，只有直流母線(xiàn)電容的能量通過(guò)故障變頻器散失，而不會(huì )有額外的能量通過(guò)母線(xiàn)進(jìn)到損壞的器件，同時(shí)也保護了整流器和輸入變壓器。如果輸入隔離變壓器有足夠的阻抗的話(huà)，在整流器的母線(xiàn)側沒(méi)有必要安裝保險絲。如果有二極管損壞的話(huà)（這種可能性很?。?，變壓器的保護開(kāi)關(guān)可以足夠快地動(dòng)作，保護整流器故障不擴大。

2．6電機控制

電機控制是基于定子磁場(chǎng)定向原理的直接轉矩控制（DTC），它工作時(shí)不需要速度傳感器，可以給出最快的動(dòng)態(tài)響應和精確的速度控制。其靜態(tài)轉速誤差大約僅為電機轉差率的10％左右，也即對于標準交流電機來(lái)說(shuō)是其轉速范圍的0.1％。DTC控制的優(yōu)越性已被無(wú)數的低壓變頻器在工業(yè)應用中證明。其控制軟件C被用到快速信號處理器（DSP）中，其內部控制環(huán)每隔25μs計算一次，這就能使轉矩保持在參考值附近很窄的范圍內。為了便于使用，控制軟件在電機第一次起動(dòng)之前，有一個(gè)辨識運行功能（ID?run），用來(lái)識別電機的參數。這個(gè)標準的ID?run是在停車(chē)時(shí)運行的。如果要求非常高的性能和自動(dòng)速度轉換控制的話(huà)，可使用另一個(gè)外加的ID?run功能，它利用一個(gè)規定的運行試驗順序來(lái)控制電機。

2．7用戶(hù)接口 該變頻器既可以就地控制也可以遠方控制。就地控制面板就象低壓變頻器一樣，它允許操作人員象操作低壓變頻器一樣操作中壓變頻器。在遠方控制時(shí)，要么通過(guò)模擬信號傳輸或者采用不同類(lèi)型的工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)。這就使得具有最大的適應性將其連接到現有的過(guò)程控制設備。為了完成診斷和進(jìn)行完善的參數設置，可將PC機接到變頻器完成控制。SW工具就象在低壓變頻器上一樣，因為操作人員也常將它同樣用在中壓變頻器上。SW工具對于檢修也是同樣有效的，這就給檢修人員提供了方便，他們在檢修低壓變頻器和中壓變頻器時(shí)常利用這個(gè)工具，盡管他們每年僅需要對中壓變頻器維修一次。 3試驗結果

沒(méi)有輸出濾波器的中壓變頻器在驅動(dòng)普通鼠籠型異步電機時(shí)的負面影響已經(jīng)在很多文章中得到確認。中壓變頻驅動(dòng)對電機的大多數共同的有害影響歸納如下：

1）由于IGBT或IGCT中壓開(kāi)關(guān)器件產(chǎn)生的10～20kV/μs的dv/dt對電機繞組的絕緣構成了威脅。

2）由于過(guò)高的諧波電流含量導致電機的溫升增加，而降低了電機的帶載能力。

3）電機端陡峭的共模電壓導致軸向電機電流。

4）由于非正弦磁通引起的鐵損使可聞噪聲增加。

試驗的目的是證明新的VSD拓撲對電機的良好的性能，其次電機制造商的興趣是定義新裝置驅動(dòng)的電機的效率，以減小電機的損耗。直到目前所有的VSD驅動(dòng)都使電機損耗超標，只能降額使用。

全部試驗都用相同的電機，電機都符合IEC標準，是一種循環(huán)冷卻的TEWAC電機。電機的銘牌參數見(jiàn)表1。

表1試驗電機參數項目UI/VII/API/kWn/r/minfI/HzcosΦ接法
數值41603562000715600.81Y
3.1電機溫升試驗

溫升試驗是用相同的電機在兩種不同的供電方式下完成的:直接電網(wǎng)供電和由VSD供電，電機帶額定負荷。溫度測量采用熱電阻方法，其測量結果見(jiàn)表2。

表2電機滿(mǎn)負荷溫升項目DOL供電VSD驅動(dòng)
UIn/V40004020
II/A357356
f/Hz6060
溫升/℃45.544.8
根據這個(gè)測量結果，用VSD驅動(dòng)時(shí)的電機溫升稍低于由電網(wǎng)直接供電的電機，這可以被解釋為系統的測量誤差。這個(gè)結論證明用新的VSD驅動(dòng)的電機的溫升不會(huì )高于直接供電的電機。這比起其它的VSD方案有明顯的改善，而用其它中壓調速驅動(dòng)的電機一般要降額5％～15％使用。

3．2電壓上升時(shí)間和它對電機的影響

由中壓VSD產(chǎn)生的短的電壓上升時(shí)間使許多用戶(hù)擔心導致電機繞組絕緣的損傷和故障，圖2示出了一個(gè)典型的沒(méi)有輸出濾波器時(shí)的輸出電壓波形，這種電壓對電機產(chǎn)生的主要影響如下。

1）電機電流的高諧波含量。

2）由于電壓反射，會(huì )在電機端產(chǎn)生非常高的電壓。 高的諧波含量會(huì )導致高的損耗，這樣電機的溫升也比由電網(wǎng)直接供電時(shí)要高。而短的電壓上升時(shí)間能夠導致電壓反射，使得終端瞬時(shí)電壓高于入射電壓，這將會(huì )加速電機定子繞組的絕緣老化。這些影響實(shí)際

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一種新型的高性能中壓電機變頻器

圖3采用新的交流調速驅動(dòng)器的電機在改變轉速

和轉矩時(shí)的負載能力曲線(xiàn)

圖4鼠籠式感應電機運行在純正弦波電壓源（DOL）和由新型拓撲VSD變頻器帶輸出濾波器時(shí)的效率曲線(xiàn)。（運行在100％恒定轉矩下）

上可以通過(guò)在VSD拓撲中加入輸出濾波器而得到消除。但是電壓上升時(shí)間不能完全從這個(gè)網(wǎng)絡(luò )（VSDTopology）中消除。

3．3噪音

由于使用VSD對周?chē)h(huán)境的負面影響主要是噪音。表3列出了三種不同情況下的測量值。

1）VSD（NPC逆變器）無(wú)輸出濾波器；

2）電網(wǎng)直接供電；

3）新型拓撲VSD加輸出濾波器。

所有的測量是在空載額定轉速的情況下進(jìn)行的。

表3可聞噪聲的測量系統類(lèi)型聲壓水平/dB聲壓水平（線(xiàn)性與DOL方式比較/％
VSD無(wú)輸出濾波器74.5145
直接電網(wǎng)供電71.3100
新型拓撲VSD加輸出濾波器72.8119
當電機由采用NPC逆變電路的VSD驅動(dòng)時(shí)，如果沒(méi)有輸出濾波器，其聲壓水平要比由電網(wǎng)直接供電的電機高出45％，盡管NPC逆變器在所有電壓型變頻器（VSI）中已經(jīng)具有最好的輸出性能。由于輸出濾波器包含在新的變頻器之中，VSD驅動(dòng)所引起的相應噪聲水平的增加被減少到1/2。

3．4負載能力

如果標準的IEC或NEMA電機用不帶輸出濾波器的VSD驅動(dòng)，其負載能力將會(huì )有所降低。直至今日，電機制造商還是將自通風(fēng)的電機“降額”后作為VSD的負載，由于諧波含量高，所以不得不采用比實(shí)際要求更大的電機。

圖3所示為循環(huán)冷卻電機（即TEWAC電機）的負載能力曲線(xiàn)，描述了采用新型拓撲結構變頻器的情況。測量是在改變轉速和轉矩時(shí)完成的。在同一幅圖上也畫(huà)出了象風(fēng)機水泵這類(lèi)典型平方律負載的曲線(xiàn)。對于各種類(lèi)型的表面冷卻式電機（即TEFC電機），甚至只能在較低的轉速下運行，譬如（0～30）％。

3．5新型拓撲結構變頻器驅動(dòng)的電機損耗

由于采用了輸出濾波器，電機的損耗非常接近于由電網(wǎng)直接供電運行的電機（見(jiàn)圖4）。這樣，電機的規格就其損耗而言與由電網(wǎng)直接供電的電機相同。

4結語(yǔ)

本文描述了一種采用新型拓撲結構的中壓變頻器，重點(diǎn)是這種VSD對標準中壓電機的影響。從電機制造商完成的測量來(lái)看，結果是非常滿(mǎn)意的。由于實(shí)際上幾乎是正弦輸出波形而達到了如下的結果：

1）電機不需要“降額”使用;

2）沒(méi)有額外的對電機繞組的絕緣要求;

3）將新型VSD控制用于老電機的改造是安全的和經(jīng)濟的;

4）噪聲水平只有用VSD驅動(dòng)而無(wú)輸出濾波器時(shí)的1/2。

這樣，VSD控制能夠驅動(dòng)具有相同銘牌參數的老電機，而用普通的中壓調速驅動(dòng)時(shí)它們要降額5～15％使用。因此，在老設備的改造中應用這種新型的變頻器具有突出的優(yōu)點(diǎn)。

通過(guò)輸出濾波器的星形點(diǎn)接地，可以避免電機端的任何共模電壓，因此沒(méi)有因為變頻器驅動(dòng)而導致的軸電流問(wèn)題。軸電流的測量是在線(xiàn)的，并以最快的速度報告出來(lái)。