高压变频技术 东北大学 边春元 2011.8 东北 大学 内容介绍 高压变频器对电网的影响 三电平PWM电压源变频器原理 三电平PWM整流控制策略 PWM整流的基本原理 高压变频器对电动机的影响 三电平PWM逆变控制策略 大容量多电平变换器发展概述 IGCT系统现存问题初步探讨 功率器件概述 东北 大学 四、高压变频器对电动机的影响 l本讲主要从高压变频器输出谐波引起谐波发热和转矩脉动 、du/dt、共模电压、噪声等方面讨论高压变频器对电动机 的影响及解决办法，以及变频专用电动机的设计要点。 高压变频器输出电动机的影响主要取决于逆变电路的 结构和特性。 美国的NEMA标准MGI-1993中对电动机谐波发热、 du/dt和共模电压等方面有相应的规定。 东北 大学 1、输出谐波对电动机的影响 l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，电动机往往要降额使用。 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。 l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。 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； 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。 东北 大学 普通的电流源型变频器 l其输出电流波形和输入电流波形极为相似，都是120度的方波，含有丰 富的谐波成分，总谐波电流失真可达到30%左右。 l为了降低输出谐波，也有采用输出12脉波方案或设置输出滤波器，输 出波形会有较大改善，但系统的成本和复杂性也会大大增加。 l输出滤波器换相式电流源型变频器固有的滤波器可以起到一定的滤波 作用，所以速度较高时，电动机电流波形有所改善。 lGTO-PWM电流源型变频器输出电流质量的提高主要通过GTO采用谐 波消除的电流PWM开关模式来实现，但受到GTO开关频率上限的限 制。 东北 大学 三电平变频器 l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，每个电平幅值相对下降，提高了输出 电压谐波消除算法的自由度； l在相同开关频率的前提下，可使输出波形质量比二电平 PWM变频器有较大的提高，但输出电压谐波失真仍达29% ，电动机电流谐波失真达17%； l须采取专用电动机，如要采用普通电动机，必须设置输出 滤波器。 东北 大学 单元串联多电平变频器 l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%，大大低于普通电流源型变频器和三电平变频器； l采用了多电平移相式PWM控制，输出谐波的频率主要集中 在4.57.5kHz范围内，且都低于5%； l一般的异步电动机，工频时阻抗为16%左右，相对5kHz的 谐波，其阻抗约为1600%，其产生的各次谐波电流约小于 0.3%，符合MGI-1993中小于1%的要求； l电动机基本不会产生附加的谐波发热、噪声和转矩脉动， 不必设置输出滤波器，可直接使用普通的异步电动机。 东北 大学 脉动转矩的影响 l普通电流源型变频器的输出电流不是正弦波，而是 120度的方波，电动机的电磁转矩除了平均转矩以 外，还有脉动分量。 l脉动转矩的平均值为0，但它会使转子的转速不均 匀，产生脉动； l在低速时，还会发生步进现象；在适当的条件下， 可能引起电动机与负载组成的机械系统的共振。 东北 大学 脉动转矩的分析 l脉动转矩主要是由基波旋转磁通和转子谐波电流相互作用产生的。 l在三相电动机中，产生脉动转矩的主要是6n1次谐波。6脉动输出电流 源型变频器输出电流中含有丰富的5次和7次谐波，5次谐波产生的旋转 磁动势与基波旋转磁动势反向，7次谐波产生的旋转磁动势与基波旋转 磁动势同向，而电动机转子的电气旋转速度基本接近基波磁动势的旋 转速度（两者的差别对应于电动机的转差率），所以5次谐波磁动势和 7次谐波磁动势都会在电动机转子中感应产生6倍于基波频率的转子谐 波电流。基波旋转磁动势和6倍频的转子谐波电流共同作用，产生6倍 频的脉动转矩，所以6脉波输出电流源型变频器含有较大的6倍频脉动 转矩。 l同样，11次和13次谐波电流也会产生12倍频的脉动转矩。 东北 大学 6脉波输出电流源型变频器的转矩脉动 l在输出频率为30Hz时的转矩脉 动值（图中纵坐标采用对数坐 标）。 l电流源型变频器采用12脉波多 重化后，输出电流波形有较大 改善，由于5次和7次谐波基本 抵消，6倍频脉动转矩大大降低 ，剩下的主要为12倍频的脉动 转矩，总的转矩脉动明显降低 。 东北 大学 l脉动转矩在低速时对电动机转速的影响尤为明显。因为， 对三相电动机而言，由于6n1次谐波存在，产生的电磁转 矩为: 转转矩脉动动分量的最大值值； 变频变频 器输输出基波电压电压 的角频频率。 l根据电动机运动方程，可得由于谐波原因引起的电动机转 速的脉动分量为: 东北 大学 转速脉动的规律及消除措施 l由上式可知，电动机的转速脉动有以下规律： 转速脉动频率分别为电动机基波角频率的6n倍； 其幅值与变频器输出的基波角频率（或频率f）成反比，即输出频率（或电 动机转速）越低，转速波动越大；也就是说，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，对输出谐波抑制的要求更高。 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。 l要使电动机的转速脉动较小，首先要消除或抑制变频器输 出的低次谐波，采取高频PWM方法，将输出谐波往高频推 移，不失为减少转速脉动的有效办法。 东北 大学 l三电平变频器： 在不采用输出滤波器时，也会产生较大的转矩脉动； 采用输出滤波器后，转矩脉动可大大降低。 l单元串联多电平变频器： 输出电流谐波较低，电动机的转矩脉动分量极小； 在输出频率为30Hz时转矩脉动值，各次脉动转矩都在 0.1%以下（图6-43）。 东北 大学 东北 大学 2、输出du/dt对电动机的影响 l由于PWM方式和高速电力电子器件的使用，变频器输出电 压变化率du/dt对电动机绝缘产生的影响问题也越来越严重 。 ldu/dt取决于两个方面： 电压跳变台阶的幅值，它与变频器的电压等级和主电路 结构有关； 逆变器功率器件的开关速度，开关速度越高，du/dt越大 。 东北 大学 电压跳变台阶的影响比较 l普通的二电平 由于输出电压跳变台阶较大，相电压的跳变分别达到直流母线电压，同时由 于逆变器功率器件开关速度较快，会产生较大的du/dt相当于在电动机线圈上 反复施加陡度很大的冲击电压，使电动机绝缘承受严酷的电应力，尤其当变 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。 一般需要特殊设计的电动机，电动机绝缘必须加强。如果要使用普通电动机 ，必须附加输出滤波器。 l三电平PWM电压源型变频器 在相同输出电压等级前提下，相对二电平结构而言，输出du/dt有所下降； 但在不加输出滤波器时，仍不能符合MGI的标准。 东北 大学 l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，对6kv电压等级 的变频器而言，约为900V，功率单元所用IGBT开通时电压上升时 间为0.3s，du/dt约为约为 3000V/ s； MGI标标准允许许的范围围为为1s内从10%的相电压电压 峰值变换值变换 到90%的相 电压电压 峰值值，对对6kV电动电动 机而言，约为约为 3919V/s。因此，该该类变频类变频 器输输出du/dt很低，使得电动电动 机绝缘绝缘 不会受到影响，可以使用普通 的异步电动电动 机。 由于输输出du/dt很低，不会产产生长电缆长电缆 时时行波反射引起的du/dt放 大问题问题 ，对输对输 出电缆长电缆长 度没特殊限制，目前使用的最长记录为长记录为 20km。 东北 大学 3、共模电压和轴电流对电动机的影响 l共模电压电压 （也叫零序电压电压 ），是指电动电动 机定子绕组绕组 的中 心点和地之间间的电压电压 。 东北 大学 l由于上下直流母线线的滤滤波电电抗器大小相同，而且流过过相同 的电电流，所以每个电电抗器上的压压降也相同，因此以接地点 G为为参考电电平，各点电压电压 符合以下关系： 由于整流电路在同一时刻只有两相同时导通，导致整流 电路输出的直流中点电压不等于供电电源中心点电压， 即: 东北 大学 l下图是在晶闸管触发延迟角为20度时的各点电压波形。 中点电压电压 按照电电网电压电压 三倍的频频率进进行变变化； 在晶闸闸管触发发延迟迟角为为90度时时幅值值达到最大。 东北 大学 l电电流源型变频变频 器逆变变器的工作原理与整流器大致相同，因 此逆变变器输输入直流中点对电动对电动 机中心点的电压电压 波形UmG与 波形大致相同，只是EmN的变变化频频率为变频为变频 器输输出频频率的 三倍，会随着变频变频 器输输出频频率的变变化而变变化。 l由于： UmG = EmG= EmN+ UNG l共模电压电压 ： UNG = UmG EmN l由于输输出频频率一般不等于电电网频频率，且不断变变化，因此 UmG和EmN的组合可以导致共模电压在某一时刻达到最大值 。 东北 大学 l由于UmG和EmN 的最大值都可以达到额定相电压峰值的 50%，所以共模电压最大可接近相电压的峰值； l如果电源的中心点接地，电动机的机壳也接地，这样共模 电压就施加到电动机定子绕组的中心点和机壳之间。 l高的共模电压使电动机绕组承受的绝缘应力为电网直接运 行情况下的2倍，严重影响电动机绝缘。 l下图显示了一输出电压为4160V的GTO电流源型变频器的 共模电压波形。 东北 大学 东北 大学 l没有输输入变压变压 器： 共模电压电压 会直接施加到电动电动 机上，增加绕组对绕组对 地的电电 应应力，引起绝缘击绝缘击 穿，影响电动电动 机的使用寿命； 电动电动 机绝缘绝缘 必须须加强，以承受共模电压电压 。 l设设置输输入变压变压 器（变压变压 器二次侧侧中点不能接地）： 共模电压电压 由输输入变压变压 器和电动电动 机共同来承担，按照输输 入变压变压 器一次、二次绕组间绕组间 的分布电电容和电动电动 机绕组绕组 对对机壳间间的分布电电容（两个电电容串联联）进进行分配； 东北 大学 由于一般输入变压器的分布电容大大小于电动机绕组对 机壳的分布电容（比如前者为后者的1/10），这样约 90%的共模电压由输入变压器来承担，只要考虑加强输 入变压器的绝缘即可，而变压器的绝缘加强，相对电动 机要容易很多。 l例如：4160V额定电压的电动机要求采用10kV的绝缘设计 ，不能使用标准的异步电动机。MGI允许6kV电动机可以承 受的共模电压范围为基波相电压峰值和共模电压峰值之和 不超过8.7kV。 东北 大学 lPWM变频变频 器的共模电压电压 中含有与开关频频率相对应对应 的高频频分 量，高频频的电压电压 分量会通过输过输 出电缆电缆 和电动电动 机的分布电电 容产产生对对地高频频漏电电流，影响逆变变器功率电电路的安全。 l电动电动 机通过过地产产生的高频频漏电电流： 部分经经定子绕组绕组 和机壳间间的分布电电容，再经经机壳流入地； 部分通过绕组过绕组 和转转子间间的分布电电容，经轴经轴 承再到机壳，然后到地 。 后者的作用相当于轴电轴电 流，会引起电动电动 机轴轴承的“电蚀电蚀 ”，影响 轴轴承的寿命。 东北 大学 4、电动机设计和输出电缆选择的特殊问题 l由于变频变频 器输输出谐谐波会引起电动电动 机附加温升，电动电动 机容量必须须适当 放大，热热参数降低使用。 l设计时设计时 ，在可能的条件下，尽量减少定、转转子电电阻，以