一种新型的高性能中压电机变频器 2011-05-23 17:22:25来源:互联网
摘要：介绍一种新型的高性能中压变频器，它能用于普通笼型电机的调速驱动。其输出电压的正弦波特性已经得到电机制造商的检验，与直接供电相比，没有附加的损耗。对于平方律负载如风机和水泵，自通风式的电机能够在不同的转速下运行而不存在散热问题。关键词：变速驱动；电压源变频器；中性点钳位；直接转矩控制；直接电网供电；总谐波畸变；识别运行；集成门极换流晶闸管；PC支持工具

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图1新型变频器的基本电路图

1引言

用变速驱动代替传统的定速驱动是当今节能的一个重要话题。但是它有两个问题：其一，新的调速装置的总投资太高，投资的回收期太长；其二，用新的驱动装置代替老的设备需要的时间太长，导致生产停止太久。而本文介绍的一种新型变频器，允许保留原有的电机，并且只要占用很小的空间，从而解决了上述两个问题。它是基于中性点钳位（NPC）原理的新研发的电压源变频器（VSI）。为了满足电机需要正弦波输入电压的要求，这种新型的变频器配置了LC输出滤波器。由于实现了正弦波供电，不需要更换现有的电机也不需要降额运行，或加强绝缘，并且基本上没有额外的噪音。这些优点已由电机制造商的测量得到证明。这种新型变频器的结构非常紧凑，因为它采用了新开发的叫做IGCT的功率半导体器件，而输入变压器可放在最便利的适当地方。

2新型变频器

图1所示为新型变频器的基本电路图。

2．1整流器

在不需要将再生能量反馈回电网的场合，12脉波二极管桥式整流器无论在费用、效率、可靠性和谐波等方面都是最佳的选择。二极管是最廉价的半导体器件，且它的损耗要比可控型器件低。因为没有控制电路，二极管桥损坏的可能性是很小的。当输电线较


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(a)变频器侧和电机侧线电压波形

(b)变频器侧电压频谱(每10个单位等于基波的1％)

(c)电机侧电压频谱(每10个单位等于基波的1％)

一种新型的高性能中压电机变频器

图24kV变频器LC滤波器前后电压波形与频谱

短和馈电功率至少为电机驱动功率的30倍时，可通过一个设计合理的隔离变压器，使整流器的网侧谐波保持在低于IEEE519－1992规定的最低限度。如果输电网络容量较小，或者有更为严格的谐波限制的话，则要采用24脉波的二极管整流器。

2．2逆变器

一个供4kV电机的逆变器可以运行在大约6kV的直流母线电压。新的IGCT器件具有6kV峰值阻断能力，3.3kV的直流阻断能力。采用NPC拓扑结构，对于每一个串联的半导体功率开关，由于其独特的分压网络，从而实现了器件数量的最小化。IGCT工作时不需要关断缓冲网络（吸收电路），减少了辅助元件的数量，这一点与GTO相比是相当可观的。IGCT允许在平均开关频率为500Hz下工作，这时其损耗是可以接受的，加上三电平输出电压的波形优势，只需要使用一个小体积的LC输出滤波器。图2所示为一个4kV变频器在加上LC输出滤波器以前的逆变器输出电压的测量波形，同时也显示了这个电压的谐波分析，给出THD为12.8％。

IGCT作为一种晶闸管型的器件，比起晶体管型的器件IGBT有更小的通态损耗，其开通和关断损耗也比IGBT要低。但IGCT有一个缺点，它不能象IGBT一样平滑地导通。为了保护单向导通的二极管在关断时免受过大的di/dt的影响，IGCT逆变器在每一个变换通道装设di/dt抑制器或di/dt电抗器。电抗器的去磁（放电）损耗与IGBT平滑导通时的损耗是一样的。

2．3LC滤波器

LC滤波器的转折共振频率大约为360Hz，它与集成驱动控制部分的滤波器共振阻尼控制一起作用，可得到一个近似的正弦波输出电压。图2所示为电机电压的测量波形和它的谐波分析。这个电压的谐波含量（THD0.82％）低于IEEE5191992关于线电压谐波的限值。因此原有的和新的标准电机在这个电压下运行不会有额外的损耗，也就是说不必“降额”使用。

2．4共模电路

各类变频器的输出电压由于其开关操作不是单纯的正相序或负相序系统，总是存在一个零相序电压系统（也经常叫做共模电压），但却不会形成电流。但是，实际的系统是四线制系统，其零线（N）通常是接地的，而变频器的输入和输出也是通过寄生电容接地的（主要是由于电缆的电容接地）。通过接地，电荷在输出电容的星点（中性点）积聚，从而保护电机不受共模电压的影响。这就避免了由于变频器零相序电压产生的轴向电流的危险。一个共模电抗器可以减小由于变频器到输入变压器的电缆过长而产生的寄生电容到地充放电电流的幅值。