一种新型的高性能中压电机变频器

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

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

(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IEEE519?1992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。共模电抗器的功能基本上类似变压器。直流母线充电电流的影响仅仅通过其杂散电感，而共模电流的影响则是通过其主电感。从变压器到整流器之间300m电缆的地线电流的测量结果表明：共模电抗器可将瞬时峰值地线电流减小到1/5。

2．5保护

每一个附加的部件象保险丝都会降低变频器的可靠性及增加设备的费用，耐压数kV的低额定电流的保险丝是代价很高的元件。新的变频器用两只叫做“保护IGCT”的半导体开关器件代替直流保险丝，当变频器发生故障时，它可以立即将整流器与直流母线隔离。其反应是如此之快，使母线电流不会大于其正

常值水平，只有直流母线电容的能量通过故障变频器散失，而不会有额外的能量通过母线进到损坏的器件，同时也保护了整流器和输入变压器。如果输入隔离变压器有足够的阻抗的话，在整流器的母线侧没有必要安装保险丝。如果有二极管损坏的话（这种可能性很小），变压器的保护开关可以足够快地动作，保护整流器故障不扩大。

2．6电机控制

电机控制是基于定子磁场定向原理的直接转矩控制（DTC），它工作时不需要速度传感器，可以给出最快的动态响应和精确的速度控制。其静态转速误差大约仅为电机转差率的10％左右，也即对于标准交流电机来说是其转速范围的0.1％。DTC控制的优越性已被无数的低压变频器在工业应用中证明。其控制软件C被用到快速信号处理器（DSP）中，其内部控制环每隔25μs计算一次，这就能使转矩保持在参考值附近很窄的范围内。为了便于使用，控制软件在电机第一次起动之前，有一个辨识运行功能（ID?run），用来识别电机的参数。这个标准的ID?run是在停车时运行的。如果要求非常高的性能和自动速度转换控制的话，可使用另一个外加的ID?run功能，它利用一个规定的运行试验顺序来控制电机。

2．7用户接口 该变频器既可以就地控制也可以远方控制。就地控制面板就象低压变频器一样，它允许操作人员象操作低压变频器一样操作中压变频器。在远方控制时，要么通过模拟信号传输或者采用不同类型的工业现场总线。这就使得具有最大的适应性将其连接到现有的过程控制设备。为了完成诊断和进行完善的参数设置，可将PC机接到变频器完成控制。SW工具就象在低压变频器上一样，因为操作人员也常将它同样用在中压变频器上。SW工具对于检修也是同样有效的，这就给检修人员提供了方便，他们在检修低压变频器和中压变频器时常利用这个工具，尽管他们每年仅需要对中压变频器维修一次。 3试验结果

没有输出滤波器的中压变频器在驱动普通鼠笼型异步电机时的负面影响已经在很多文章中得到确认。中压变频驱动对电机的大多数共同的有害影响归纳如下：

1）由于IGBT或IGCT中压开关器件产生的10～20kV/μs的dv/dt对电机绕组的绝缘构成了威胁。

2）由于过高的谐波电流含量导致电机的温升增加，而降低了电机的带载能力。

3）电机端陡峭的共模电压导致轴向电机电流。

4）由于非正弦磁通引起的铁损使可闻噪声增加。

试验的目的是证明新的VSD拓扑对电机的良好的性能，其次电机制造商的兴趣是定义新装置驱动的电机的效率，以减小电机的损耗。直到目前所有的VSD驱动都使电机损耗超标，只能降额使用。

全部试验都用相同的电机，电机都符合IEC标准，是一种循环冷却的TEWAC电机。电机的铭牌参数见表1。

表1试验电机参数项目UI/VII/API/kWn/r/minfI/HzcosΦ接法
数值41603562000715600.81Y
3.1电机温升试验

温升试验是用相同的电机在两种不同的供电方式下完成的:直接电网供电和由VSD供电，电机带额定负荷。温度测量采用热电阻方法，其测量结果见表2。

表2电机满负荷温升项目DOL供电VSD驱动
UIn/V40004020
II/A357356
f/Hz6060
温升/℃45.544.8
根据这个测量结果，用VSD驱动时的电机温升稍低于由电网直接供电的电机，这可以被解释为系统的测量误差。这个结论证明用新的VSD驱动的电机的温升不会高于直接供电的电机。这比起其它的VSD方案有明显的改善，而用其它中压调速驱动的电机一般要降额5％～15％使用。

3．2电压上升时间和它对电机的影响

由中压VSD产生的短的电压上升时间使许多用户担心导致电机绕组绝缘的损伤和故障，图2示出了一个典型的没有输出滤波器时的输出电压波形，这种电压对电机产生的主要影响如下。

1）电机电流的高谐波含量。

2）由于电压反射，会在电机端产生非常高的电压。 高的谐波含量会导致高的损耗，这样电机的温升也比由电网直接供电时要高。而短的电压上升时间能够导致电压反射，使得终端瞬时电压高于入射电压，这将会加速电机定子绕组的绝缘老化。这些影响实际

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一种新型的高性能中压电机变频器

图3采用新的交流调速驱动器的电机在改变转速

和转矩时的负载能力曲线

图4鼠笼式感应电机运行在纯正弦波电压源（DOL）和由新型拓扑VSD变频器带输出滤波器时的效率曲线。（运行在100％恒定转矩下）

上可以通过在VSD拓扑中加入输出滤波器而得到消除。但是电压上升时间不能完全从这个网络（VSDTopology）中消除。

3．3噪音

由于使用VSD对周围环境的负面影响主要是噪音。表3列出了三种不同情况下的测量值。

1）VSD（NPC逆变器）无输出滤波器；

2）电网直接供电；

3）新型拓扑VSD加输出滤波器。

所有的测量是在空载额定转速的情况下进行的。

表3可闻噪声的测量系统类型声压水平/dB声压水平（线性与DOL方式比较/％
VSD无输出滤波器74.5145
直接电网供电71.3100
新型拓扑VSD加输出滤波器72.8119
当电机由采用NPC逆变电路的VSD驱动时，如果没有输出滤波器，其声压水平要比由电网直接供电的电机高出45％，尽管NPC逆变器在所有电压型变频器（VSI）中已经具有最好的输出性能。由于输出滤波器包含在新的变频器之中，VSD驱动所引起的相应噪声水平的增加被减少到1/2。

3．4负载能力

如果标准的IEC或NEMA电机用不带输出滤波器的VSD驱动，其负载能力将会有所降低。直至今日，电机制造商还是将自通风的电机“降额”后作为VSD的负载，由于谐波含量高，所以不得不采用比实际要求更大的电机。

图3所示为循环冷却电机（即TEWAC电机）的负载能力曲线，描述了采用新型拓扑结构变频器的情况。测量是在改变转速和转矩时完成的。在同一幅图上也画出了象风机水泵这类典型平方律负载的曲线。对于各种类型的表面冷却式电机（即TEFC电机），甚至只能在较低的转速下运行，譬如（0～30）％。

3．5新型拓扑结构变频器驱动的电机损耗

由于采用了输出滤波器，电机的损耗非常接近于由电网直接供电运行的电机（见图4）。这样，电机的规格就其损耗而言与由电网直接供电的电机相同。

4结语

本文描述了一种采用新型拓扑结构的中压变频器，重点是这种VSD对标准中压电机的影响。从电机制造商完成的测量来看，结果是非常满意的。由于实际上几乎是正弦输出波形而达到了如下的结果：

1）电机不需要“降额”使用;

2）没有额外的对电机绕组的绝缘要求;

3）将新型VSD控制用于老电机的改造是安全的和经济的;

4）噪声水平只有用VSD驱动而无输出滤波器时的1/2。

这样，VSD控制能够驱动具有相同铭牌参数的老电机，而用普通的中压调速驱动时它们要降额5～15％使用。因此，在老设备的改造中应用这种新型的变频器具有突出的优点。

通过输出滤波器的星形点接地，可以避免电机端的任何共模电压，因此没有因为变频器驱动而导致的轴电流问题。轴电流的测量是在线的，并以最快的速度报告出来。