一種新型的高性能中壓電機變頻器 2011-05-23 17:22:25來源:互聯(lián)網(wǎng)
摘要：介紹一種新型的高性能中壓變頻器，它能用于普通籠型電機的調(diào)速驅(qū)動。其輸出電壓的正弦波特性已經(jīng)得到電機制造商的檢驗，與直接供電相比，沒有附加的損耗。對于平方律負載如風機和水泵，自通風式的電機能夠在不同的轉(zhuǎn)速下運行而不存在散熱問題。關(guān)鍵詞：變速驅(qū)動；電壓源變頻器；中性點鉗位；直接轉(zhuǎn)矩控制；直接電網(wǎng)供電；總諧波畸變；識別運行；集成門極換流晶閘管；PC支持工具

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圖1新型變頻器的基本電路圖

1引言

用變速驅(qū)動代替?zhèn)鹘y(tǒng)的定速驅(qū)動是當今節(jié)能的一個重要話題。但是它有兩個問題：其一，新的調(diào)速裝置的總投資太高，投資的回收期太長；其二，用新的驅(qū)動裝置代替老的設(shè)備需要的時間太長，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問題。它是基于中性點鉗位（NPC）原理的新研發(fā)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(xiàn)了正弦波供電，不需要更換現(xiàn)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(yōu)點已由電機制造商的測量得到證明。這種新型變頻器的結(jié)構(gòu)非常緊湊，因為它采用了新開發(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?shù)胤健?/p>

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


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(a)變頻器側(cè)和電機側(cè)線電壓波形

(b)變頻器側(cè)電壓頻譜(每10個單位等于基波的1％)

(c)電機側(cè)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(qū)動功率的30倍時，可通過一個設(shè)計合理的隔離變壓器，使整流器的網(wǎng)側(cè)諧波保持在低于IEEE519－1992規(guī)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，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(jié)構(gòu)，對于每一個串聯(lián)的半導體功率開關(guān)，由于其獨特的分壓網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)了器件數(shù)量的最小化。IGCT工作時不需要關(guān)斷緩沖網(wǎng)絡(luò)（吸收電路），減少了輔助元件的數(shù)量，這一點與GTO相比是相當可觀的。IGCT允許在平均開關(guān)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(yōu)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(tài)損耗，其開通和關(guān)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?qū)ǖ亩O管在關(guān)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(shè)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(zhuǎn)折共振頻率大約為360Hz，它與集成驅(qū)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IEEE5191992關(guān)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(guān)操作不是單純的正相序或負相序系統(tǒng)，總是存在一個零相序電壓系統(tǒng)（也經(jīng)常叫做共模電壓），但卻不會形成電流。但是，實際的系統(tǒng)是四線制系統(tǒng)，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(chǎn)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(chǎn)生的寄生電容到地充放電電流的幅值。