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    丁海峰（1963— ）
男，江苏南通人，工程师， (洛阳工业高等专科学校，河南  洛阳  471003） ，主要从事工业自动化设备研究设计工作。

摘要:介绍了中压变频原理，对中压电动机变频调速的技术特点和电路结构进行了分析。针对变频设备的特殊使用环境，提出变频设备对电动机运行的影响，计算结果与实验测试结果相符合。实用表明多电平结构具有较好的前景。

关键词：中压变频；逆变

Abstract: The paper describe the of medium voltageVF theory and nalyzes theVF timing technique of medium voltage motor and the circuit structure. Aiming at special working condition of frequency conversion equipments, We prqose that the inverter influences the motor. The calculating results are in concordance with the experimental ones. It is obvious that the multilevel structure will have foreseeable future.

Key words:  medium voltageVF; invert

1 引言

    工矿企业的中压(1~10kV)交流电机应用较多，由于缺少合适的交流调速装置，节能效果不理想。近年变频技术日趋成熟，通过变频控制电机转速调节风量或流量可以节约大量的电能，风机、泵类电动机节电率可以达到30%~60%，节能效果非常显著[1]。根据目前的控制方案，中压变频可以分为两大类：一是有输出变压器的中-低-中方案；二是无输出变压器的中-中方案。本文对中压变频调速技术作出分析，并结合在应用过程中对电动机的影响问题进行讨论。

2 多电平控制方案

    典型的多电平变换器结构将若干电平合成为正弦波，随着电平数目的增加，合成的输出波形台阶数也增加，使输出电压波形更逼近正弦波形。变频器主回路中器件高速开关动作，造成对电机及周边设备的影响不可忽视。因而多电平变频器的作用引起人们的重视。多电平变频器在防止尖峰电压造成的电动机绝缘损坏以及防止轴电压引起的电动机轴承电蚀方面效果良好，同时也大幅度减小了dv/dt引起的漏电流和噪音。我国标准中压电压等级为6KV和10KV，采用GTO元件的三电平结构是常用的方案，GTO单元电压达4.5~6KV、电流为4~6KA，元件无需串并联，变频器容量即能到10MVA，满足了大功率风机和水泵的驱动要求。多电平电路结构主要有三电平电路及派生形式。

    2.1   三电平电路

    三电平电路也称NPC，具有直流母线上输出正、负、零三值电压的特点。主电路由图1所示，每相电路有4只串联的开关器件和2只箝位二极管，直流侧滤波电容器用2只相同的由电容Cl、C2组成，等分直流母线的中性点电压，作为相电压输出。设直流侧电压为Ud，每个电容器上的电压为Uc，通过箝位二极管使每个功率器件上的电压限制于电容器电压Uc  之内。具体工作原理见文献[2]。这种逆变器的输入侧整流器若采用电机侧类似的多电平逆变器，即具备有功电能回馈功能，可实现电机四象限运行，电容器电压均衡容易，电网谐波和输入功率因数得以改善。但这种逆变器控制规律较复杂，不同的电动机控制方案按负载性质的不同采用了不同的PWM控制方法，而电容器电压的均衡控制方法也因PWM  控制方法而异。目前，三电平变频器产品采用的方案有V/F控制、转子磁场定向控制以及直接转矩控制等，更多电平的变频器末见报道。特别的在大功率负载条件下，开关器件工作频率较低，尽管可以配置输出滤波器，但是最小脉宽及死区时间的影响不容忽视，使得逆变器的控制有一定困难。

图1    三电平逆变器主电路

    2.2  多电平逆变器

    三电平变频器扩展可实现多电平电路。以五电平级数设计为例，其原理是，每个单体单相逆变单元可以输出+Vd、0、-Vd三种电平，将逆变器串联，即构成多级电平电路，如图2所示。设原单体逆变器有4个功率元件Si，其中Sl、S4 闭合输出+Vd(即+l 电平)，S2、S3 闭合输出-Vd (即-l电平)，Sl、S2闭合时或S3、S4闭合输出零电平。实用的逆变单元串联多电平变频器主电路结构如图3所示，其中A1、B1、C1组为超前相位组，A2、B2、C2为无相移组，A3、B3、C3为滞后相位组。此种结构采用功率单元串联的方式，因此不存在元件均压问题。输入侧采用多重移相变压器，保证输入电流近似正弦波，单相逆变单元串联可输出7种电平，使输出电压接近正弦波，将多电平与多重化结合在一起。输出侧由每个功率单元的输出端子相互串联成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM波型进行重组，得到阶梯的PWM波形，波形正弦度好，dv/dt小，可以降低输出谐波及由此引起的电机振动、电机发热、噪音等。从而减少对输出电缆和电机的绝缘损坏，无须滤波器，电机不需降低容量使用。可以直接驱动普通鼠笼电机，特别适合旧设备的改造[3]。

图2  单体单元构成的多电平电路



图3  多电平变频器主电路结构

    在实用设计时，通过不同的变压比调节输出电平的种类。例如，设变压比为K1和K2的两个单体逆变单元进行组合，可以输出的正电平有：（K1-K2）Ui，K2 Ui，K1 Ui，（K1+K2）Ui ；若K1=K2，输出的正电平数为2个；若K1≠K2，K1-K2≠K2，则正电平数为4个。设逆变单元串联级数为m，输出电平数为N，则有N=3m，表1列出有实用价值的组合，其中n为变压比数量。

    表1  有实用价值的组合：

    2.3  多电平逆变器的特点

    （1）输入电流谐波小，输出电压谐波小，理论上可通过增加级数使输出接近正弦波形，电动机运转平稳，省去了滤波器，输出电压台阶较小，dv/dt较小，有利于高压电动机的绝缘；

    （2）无需箝位二极管，获得相同电平数所需的单体数目最少；由于各单体的结构完全相同，实现模块化设计，运行维护方便；一旦单体有故障时可以旁路，提高了可靠性设备；

    （3） 更加适合中高压电动机的变频装置的大容量、高电压的要求。
这种变频器主要应用在风机泵类负载调速场合。

3 变频器对电动机的影响

    变频器输出对电动机的影响主要取决于逆变电路的结构和特性。PWM逆变器的输出是具有陡上升沿的系列脉冲，含有大量谐波分量，使电动机的损耗增大，效率降低，并产生电磁噪声，而最大的影响是谐波导致转矩的脉动，最终造成转速的脉动[4]。因此高压变频器对电动机的影响及解决办法，是当前人们研究的重要课题之一。

    3.1  输出谐波的影响

    输出谐波对电动机的影响主要有谐波引起电动机附加发热、导致电动机的额外温升，电动机要降额使用。由于输出波形失真，增加电动机的重复峰值电压，影响电动机绝缘，谐波还会引起电动机转矩脉动、噪声增加。高次谐波引起的损耗增加主要表现在定子铜损耗、转子铜损耗、铁损耗及附加损耗的增加。其中影响最为显著的是转子铜损耗，因为电动机转子是以接近基波频率旋转速度旋转的，因此对于高次谐波电压来说，转子总是在转差率接近1的状态下旋转，所以转子铜损耗较大，而且在这种状态下，除了直流电阻引起的铜损耗外，还必须考虑由于集肤效应所产生的实际阻抗增加而引起的铜损耗。

    三电平变频器与普通的二电平PWM变频器相比，由于输出相电压电平数增加，每相电平幅值相对下降，提高了输出电压谐波消除算法的自由度，在相同开关频率的条件下，可使输出波形质量与二电平PWM变频器比较有很大提高，但最坏条件下输出电压谐波失真可达29%，电动机电流谐波失真可达17%，此时需设置输出滤波器或使用专用电动机[4]。

    对于单元串联多电平变频器，当输出电压为6kV等级时，典型的输出电压总谐波失真小于7%，大大低于普通的电流源型变频器和三电平变频器，输出谐波都低于5%。对于一般的异步电动机，所产生的各次谐波电流均小于0.3%，电动机基本不会产生附加的谐波发热、噪声和转矩脉动，所以不必设置输出滤波器，可以直接使用普通的异步电动机。    根据电动机运动方程，因谐波原因产生电动机转速的脉动分量可由下式表示:

   

    式中：ω₁为电动机基波角频率；  n为变频器输出的谐波次数。
由上式可知转速脉动的规律为：（1）转速脉动频率为电动机基波角频率ω1的6n倍，幅值与变频器输出的基波角频率ω1成反比，即输出频率越低，转速波动越大。（2）转速脉动幅值与变频器输出的谐波次数n成反比，即低次谐波所引起的转速脉动比高次谐波的影响更大。电动机在低速运行情况下，为了使转速波动量维持在同一水平，重要的是要抑制变频器输出的低次谐波。

    3.2  共模电压和轴电流的影响

    变频电路的共模电压最大可接近相电压的峰值，如果电源的中心点接地，电动机的机壳也接地，共模电压施加于电动机定子绕组的中心点和机壳之间。共模电压使电动机绕组承受的绝缘应力可达电网直接运行情况下的2倍，严重损坏电动机绝缘。变频器的共模电压中含有与开关频率相对应的高频分量，高频的电压分量会通过输出电缆和电动机的分布电容产生对地高频漏电流，影响逆变器功率电路的安全。电动机通过地产生的高频漏电流，一部分通过绕组和转子间的分布电容，经轴承到机壳然后到地，作用相当于轴电流，将引起电动机轴承的“电蚀”，影响轴承的寿命。

    3.3  du/dt的影响

    对普通的二电平和三电平变频器而言，由于输出电压跳变电平较大，同时逆变器功率开关速度快，将产生大的du/dt，相当于在电动机绕组上重复施加陡度极大的冲击电压，使电动机绝缘受到损坏，特别当变频器输出与电动机之间电缆距离较长时，由于线路分布电感和分布电容的存在，会产生行波反射放大作用，在参数适合时，加到电动机绕组上的电压会成倍增加，引起电动机绝缘损坏[5]，这种变频器需要专用电动机。在相同输出电压等级前提下，采用三电平结构输出du/dt有所下降，但要加输出滤波器。

    单元串联多电平变频器最大的相电压跳变等于一个单元的直流母线电压，以6kV电压变频器为例，若跳变约为900V，电压上升时间为0.3μs ，du/dt则达到3000V/μs，对6kV电动机而言，标准允许的范围约为3919V/μs 。所以这类变频器输出不会使电动机绝缘受到损坏，可以使用普通的异步电动机[6]。

4 结论

    根据对运行经验和原有的研究成果分析，对中压变频技术进行了深入讨论。随着电力开关器件的发展，变流电路主电路结构和控制技术不断改进。今后的中压变频器呈现以下发展趋势：

    （1）多电平结构是未来中压变频主电路的首选结构。多电平逆变器电路结构中，二极管箝位多电平；

    变流器更有发展前途。与单元串联多电平变流器和浮动电容器变流器相比，二极管箝位多电平变流器可构成能量双向流动系统，实现四象限运行，电路结构简单，更有竞争力；

    （2）单元串联方案局限性大，仅可用于电流源逆变器。如果单元方面取得突破，使单元串联非常容易，应用才会有大的市场；

    （3）有输出变压器的中-低-中方案在风机和泵类负载电动机占有相当大的比例，对传动系统动态指标要求不高的条件下，采用中-低-中方案投资小，维护容易，有优势；

    （4）控制策略和控制方法是中高压变频技术的关键技术之一，变频器主电路元器件的增加，要求控制策略和方法具有优化、可靠、多样性，最终达到电动机高性能调速要求。

    本文中介绍了中压变频技术方案，多电平结构是中压变频主电路的优选结构。中压变频器目前还没有统一的电路结构，伴随着电力电子技术的进步，器件性能不断提高，新的控制策略和控制方法等会出现各种各样的电路结构，将给电动机变频技术带来新的变化。

作者信息：

    丁海峰，辛伊波 (洛阳工业高等专科学校，河南  洛阳  471003）