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

用變速驅動代替傳統的定速驅動是當今節能的一個重要話題。但是它有兩個問題：其一，新的調速裝置的總投資太高，投資的回收期太長；其二，用新的驅動裝置代替老的設備需要的時間太長，導致生產停止太久。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問題。它是基于中性點鉗位（NPC）原理的新研發的電壓源變頻器（VSI）。為了滿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，并且基本上沒有額外的噪音。這些優點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，因為它采用了新開發的叫做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的場合，12脈波二極管橋式整流器無論在費用、效率、可靠性和諧波等方面都是最佳的選擇。二極管是最廉價的半導體器件，且它的損耗要比可控型器件低。因為沒有控制電路，二極管橋損壞的可能性是很小的。當輸電線較

(a)變頻器側和電機側線電壓波形

(b)變頻器側電壓頻譜(每10個單位等于基波的1％)

(c)電機側電壓頻譜(每10個單位等于基波的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功率的30倍時，可通過一個設計合理的隔離變壓器，使整流器的網側諧波保持在低于IEEE519－1992規定的最低限度。如果輸電網絡容量較小，或者有更為嚴格的諧波限制的話，則要采用24脈波的二極管整流器。

2．2逆變器

一個供4kV電機的逆變器可以運行在大約6kV的直流母線電壓。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，對于每一個串聯的半導體功率開關，由于其獨特的分壓網絡，從而實現了器件數量的最小化。IGCT工作時不需要關斷緩沖網絡（吸收電路），減少了輔助元件的數量，這一點與GTO相比是相當可觀的。IGCT允許在平均開關頻率為500Hz下工作，這時其損耗是可以接受的，加上三電平輸出電壓的波形優勢，只需要使用一個小體積的LC輸出濾波器。圖2所示為一個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，同時也顯示了這個電壓的諧波分析，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有更小的通態損耗，其開通和關斷損耗也比IGBT要低。但IGCT有一個缺點，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斷時免受過大的di/dt的影響，IGCT逆變器在每一個變換通道裝設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，它與集成驅動控制部分的濾波器共振阻尼控制一起作用，可得到一個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。這個電壓的諧波含量（THD0.82％）低于IEEE519?1992關于線電壓諧波的限值。因此原有的和新的標準電機在這個電壓下運行不會有額外的損耗，也就是說不必“降額”使用。

2．4共模電路

各類變頻器的輸出電壓由于其開關操作不是單純的正相序或負相序系統，總是存在一個零相序電壓系統（也經常叫做共模電壓），但卻不會形成電流。但是，實際的系統是四線制系統，其零線（N）通常是接地的，而變頻器的輸入和輸出也是通過寄生電容接地的（主要是由于電纜的電容接地）。通過接地，電荷在輸出電容的星點（中性點）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生的軸向電流的危險。一個共模電抗器可以減小由于變頻器到輸入變壓器的電纜過長而產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似變壓器。直流母線充電電流的影響僅僅通過其雜散電感，而共模電流的影響則是通過其主電感。從變壓器到整流器之間300m電纜的地線電流的測量結果表明：共模電抗器可將瞬時峰值地線電流減小到1/5。

2．5保護

每一個附加的部件象保險絲都會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很高的元件。新的變頻器用兩只叫做“保護IGCT”的半導體開關器件代替直流保險絲，當變頻器發生故障時，它可以立即將整流器與直流母線隔離。其反應是如此之快，使母線電流不會大于其正

常值水平，只有直流母線電容的能量通過故障變頻器散失，而不會有額外的能量通過母線進到損壞的器件，同時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，在整流器的母線側沒有必要安裝保險絲。如果有二極管損壞的話（這種可能性很?。?，變壓器的保護開關可以足夠快地動作，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定向原理的直接轉矩控制（DTC），它工作時不需要速度傳感器，可以給出最快的動態響應和精確的速度控制。其靜態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說是其轉速范圍的0.1％。DTC控制的優越性已被無數的低壓變頻器在工業應用中證明。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之前，有一個辨識運行功能（ID?run），用來識別電機的參數。這個標準的ID?run是在停車時運行的。如果要求非常高的性能和自動速度轉換控制的話，可使用另一個外加的ID?run功能，它利用一個規定的運行試驗順序來控制電機。

2．7用戶接口 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，要么通過模擬信號傳輸或者采用不同類型的工業現場總線。這就使得具有最大的適應性將其連接到現有的過程控制設備。為了完成診斷和進行完善的參數設置，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常利用這個工具，盡管他們每年僅需要對中壓變頻器維修一次。 3試驗結果

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

1）由于IGBT或IGCT中壓開關器件產生的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的電機的效率，以減小電機的損耗。直到目前所有的VSD驅動都使電機損耗超標，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，是一種循環冷卻的TEWAC電機。電機的銘牌參數見表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，其測量結果見表2。

表2電機滿負荷溫升項目DOL供電VSD驅動
UIn/V40004020
II/A357356
f/Hz6060
溫升/℃45.544.8
根據這個測量結果，用VSD驅動時的電機溫升稍低于由電網直接供電的電機，這可以被解釋為系統的測量誤差。這個結論證明用新的VSD驅動的電機的溫升不會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的電機一般要降額5％～15％使用。

3．2電壓上升時間和它對電機的影響

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

1）電機電流的高諧波含量。

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

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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器的電機在改變轉速

和轉矩時的負載能力曲線

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的效率曲線。（運行在100％恒定轉矩下）

上可以通過在VSD拓撲中加入輸出濾波器而得到消除。但是電壓上升時間不能完全從這個網絡（VSDTopology）中消除。

3．3噪音

由于使用VSD對周圍環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）無輸出濾波器；

2）電網直接供電；

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行的。

表3可聞噪聲的測量系統類型聲壓水平/dB聲壓水平（線性與DOL方式比較/％
VSD無輸出濾波器74.5145
直接電網供電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驅動時，如果沒有輸出濾波器，其聲壓水平要比由電網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，其負載能力將會有所降低。直至今日，電機制造商還是將自通風的電機“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際要求更大的電機。

圖3所示為循環冷卻電機（即TEWAC電機）的負載能力曲線，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完成的。在同一幅圖上也畫出了象風機水泵這類典型平方律負載的曲線。對于各種類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直接供電運行的電機（見圖4）。這樣，電機的規格就其損耗而言與由電網直接供電的電機相同。

4結語

本文描述了一種采用新型拓撲結構的中壓變頻器，重點是這種VSD對標準中壓電機的影響。從電機制造商完成的測量來看，結果是非常滿意的。由于實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濟的;

4）噪聲水平只有用VSD驅動而無輸出濾波器時的1/2。

這樣，VSD控制能夠驅動具有相同銘牌參數的老電機，而用普通的中壓調速驅動時它們要降額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點。

通過輸出濾波器的星形點接地，可以避免電機端的任何共模電壓，因此沒有因為變頻器驅動而導致的軸電流問題。軸電流的測量是在線的，并以最快的速度報告出來。