高压变频器教程 第一节前言 随着电气传动技术,尤其是变频调速技术的发展,作为大容量传动的高压变频调速技术也得到了广泛 的应用。高压电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机调速控制的要求,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。近年来,各种高压变频器不断出现,高压变频 器到目前为止还没有像低压变频器那样近乎统一的拓扑结构。根据高压组成方式可分为直接高压型和高 低-高型,根据有无中间直流环节来分,可以分为交交变频器和交-直交变频器,在交直交变频器中,按 中间直流滤波环节的不同,可分为电压源型和电流源型。高-低-高型变频器采用变压器实行输入降压,输 出升压的方式,其实质上还是低压变频器,只不过从电网和电机两端来看是高压的,是受到功率器件电压 等级技术条件的限制而采取的变通办法,需要输入,输出变压器,存在中间低压环节电流大,效率低下, 可靠性下降,占地面积大等缺点,只用于一些小容量高压电机的简单调速。常规的交交变频器由于受到输 出最高频率的限制,只用在一些低速,大容量的特殊场合。直接高压交直交变频器直接高压输出,无需 输出变压器,效率高,输出频率范围宽,应用较为广泛。我们将对目前使用较为广泛的几种直接高压输b 交-直交型变频器及其派生方案进行分析,指出各自的优缺点。评价高压变频器的指标主要有:成本,可 靠性,对电网的谐波污染,输入功率因数,输出谐波,dvdt,共模电压,系统效率,能否四象限运行等。 顺便指出,我们习惯称作的高压变频器,实际上电压一般为23-10KV,国内主要为3KV,6KV和10KV 和电网电压相比,只能算作中压,故国外常成为 Medium Voltage d 高压变频器正向着高可靠性,低成本,高输入功率因数,高效率,低输入输出谐波,低共模电压 低 dv/dt等方向发展。电流源型变频器技术成熟,且可四象限运行,但由于高压时器件串联的均压问题,输 入谐波对电网的影响和输出谐波对电机的影响等问题,使其应用受到限制。对风机和水泵等一般不要求四 象限运行的设备,单元串联多电平PWM电压源型变频器在输入,输出谐波,效率和输入功率因数等方面 有明显的优势,具有较大的应用前景 卷扬机等要求四象限运行和动态性能较高的场合,双PWM 结构的三电平电压源型变频器会得到广泛的应用 第二节电流源型变频器 ⊙ 电流源型变频器(CSI: Current S renter)采用大电感作为中间直流滤波环节。整流电路一般采用 晶闸管作为功率器件,少数也有采用GIO的,主要目的是采取电流PwM控制,以改善输入电流波形。逆 变部分一般采用晶闸管或GTO作为功率器件。由于存在着大的平波电抗器和快速电流调节器,所以过电流 保护比较容易。当逆变侧岀现短路等故障时,由于电抗器存在,电流不会突变,而电流调节器则会迅速响 应,使整流电路晶闸管的触发角迅速后移,电流能控制在安全范围内。为了对接地短路也实现保护,通常 把滤波电抗器分为两半,上下直流母线各串一半。电流源型变频器的一大优点是能量可以回馈电网,系统 可以四象限运行。虽然直流环节电流的方向不能改变,但整流电压可以反向(当整流电路工作在有源逆变状 态时),能量可以回馈到电网 晶闸管目前工业应用的最高电压为8000V左右,当电网电压较高时,可采用晶闸管串联的办法 比如,当电网电压为交流4l60V时,需要2个耐压为5K的晶闸管串联,才能满足5900V峰值电压时的 耐压要求。考虑到器件串联时的均压问题和器件耐压使用安全裕量,在工业应用中,一般使用到器件额定 电压的50-60%。晶闸管串联存在静态均压和动态均压问题。均压电阻会消耗一部分功率,影响系统的效率 晶闸管的通态压降一般较低,门极触发电路比较简单,驱动功率较低。以6500V,4200A的晶闸管为例 通态压降可做到1.73V,门极触发电流仅需400mA,触发功率仅为3W,该晶闸管的断态电压临界上升率 达2000V/s,通态电流临界上升率达250A/us(连续) 由于电源侧采用三相桥式晶闸管整流电路,输入电流的谐波成份较大,为了降低谐波,可采取 重化,有的还必须加输入滤波装置。电流源型变频器输入功率因数一般较低,且会随着转速的下降而降低, 通常要附加功率因数补偿装置。另外,电流源型变频器还会产生较大的共模电压,当没有输入变压器时 共模电压会施加到电机定子绕组中心点和地之间,影响电机绝缘。电流源型变频器的输出电流谐波较高, 会引起电机的额外发热和转矩脉动,必要时也可采取输出12脉冲方式或设置输出滤波器,当然系统的复杂高压变频器教程 第一节 前言 随着电气传动技术，尤其是变频调速技术的发展，作为大容量传动的高压变频调速技术也得到了广泛 的应用。高压电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机调速控制的要求，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。近年来，各种高压变频器不断出现，高压变频 器到目前为止还没有像低压变频器那样近乎统一的拓扑结构。根据高压组成方式可分为直接高压型和高- 低-高型，根据有无中间直流环节来分，可以分为交-交变频器和交-直-交变频器，在交-直-交变频器中，按 中间直流滤波环节的不同，可分为电压源型和电流源型。高-低-高型变频器采用变压器实行输入降压，输 出升压的方式，其实质上还是低压变频器，只不过从电网和电机两端来看是高压的，是受到功率器件电压 等级技术条件的限制而采取的变通办法，需要输入，输出变压器，存在中间低压环节电流大，效率低下， 可靠性下降，占地面积大等缺点，只用于一些小容量高压电机的简单调速。常规的交-交变频器由于受到输 出最高频率的限制，只用在一些低速，大容量的特殊场合。直接高压交-直-交变频器直接高压输出，无需 输出变压器，效率高，输出频率范围宽，应用较为广泛。我们将对目前使用较为广泛的几种直接高压输出 交-直-交型变频器及其派生方案进行分析，指出各自的优缺点。评价高压变频器的指标主要有：成本，可 靠性，对电网的谐波污染，输入功率因数，输出谐波，dv/dt，共模电压，系统效率，能否四象限运行等。 顺便指出，我们习惯称作的高压变频器，实际上电压一般为 2.3-10KV，国内主要为 3KV，6KV 和 10KV， 和电网电压相比，只能算作中压，故国外常成为 Medium Voltage Drive。 高压变频器正向着高可靠性，低成本，高输入功率因数，高效率，低输入输出谐波，低共模电压， 低 dv/dt 等方向发展。电流源型变频器技术成熟，且可四象限运行，但由于高压时器件串联的均压问题，输 入谐波对电网的影响和输出谐波对电机的影响等问题，使其应用受到限制。对风机和水泵等一般不要求四 象限运行的设备，单元串联多电平 PWM 电压源型变频器在输入，输出谐波，效率和输入功率因数等方面 有明显的优势，具有较大的应用前景。对于轧机，卷扬机等要求四象限运行和动态性能较高的场合，双 PWM 结构的三电平电压源型变频器会得到广泛的应用。 第二节 电流源型变频器 电流源型变频器(CSI：Current Source Inverter)采用大电感作为中间直流滤波环节。整流电路一般采用 晶闸管作为功率器件，少数也有采用 GTO 的，主要目的是采取电流 PWM 控制，以改善输入电流波形。逆 变部分一般采用晶闸管或 GTO 作为功率器件。由于存在着大的平波电抗器和快速电流调节器，所以过电流 保护比较容易。当逆变侧出现短路等故障时，由于电抗器存在，电流不会突变，而电流调节器则会迅速响 应，使整流电路晶闸管的触发角迅速后移，电流能控制在安全范围内。为了对接地短路也实现保护，通常 把滤波电抗器分为两半，上下直流母线各串一半。电流源型变频器的一大优点是能量可以回馈电网，系统 可以四象限运行。虽然直流环节电流的方向不能改变，但整流电压可以反向(当整流电路工作在有源逆变状 态时)，能量可以回馈到电网。 晶闸管目前工业应用的最高电压为 8000V 左右，当电网电压较高时，可采用晶闸管串联的办法。 比如，当电网电压为交流 4160V 时，需要 2 个耐压为 5KV 的晶闸管串联，才能满足 5900V 峰值电压时的 耐压要求。考虑到器件串联时的均压问题和器件耐压使用安全裕量，在工业应用中，一般使用到器件额定 电压的 50-60%。晶闸管串联存在静态均压和动态均压问题。均压电阻会消耗一部分功率，影响系统的效率。 晶闸管的通态压降一般较低，门极触发电路比较简单，驱动功率较低。以 6500V，4200A 的晶闸管为例， 通态压降可做到 1.73V，门极触发电流仅需 400mA，触发功率仅为 3W，该晶闸管的断态电压临界上升率 达 2000V/us，通态电流临界上升率达 250A/us(连续)。 由于电源侧采用三相桥式晶闸管整流电路，输入电流的谐波成份较大，为了降低谐波，可采取多 重化，有的还必须加输入滤波装置。电流源型变频器输入功率因数一般较低，且会随着转速的下降而降低， 通常要附加功率因数补偿装置。另外，电流源型变频器还会产生较大的共模电压，当没有输入变压器时， 共模电压会施加到电机定子绕组中心点和地之间，影响电机绝缘。电流源型变频器的输出电流谐波较高， 会引起电机的额外发热和转矩脉动，必要时也可采取输出 12 脉冲方式或设置输出滤波器，当然系统的复杂 中国设计师网自控频道 www.zk.shejis.com