第二讲静止式变压变频器.pdf

电力电子 2 0 0 7 年1 期Power Electronics|47知识讲座Lectures为了实现异步电动机的变压变频调速，必须具备能够同时控制电压幅值和频率的交流电源，而电网提供的是恒压恒频的电源，因此应该配置变压变频器，又称 V V V F(V a r i a b l e V o l t a g e V a r i a b l e F r e q u e n c y)装置。最早的V V V F装置是旋转变频机组，即由直流电动机拖动交流同步发电机构成的机组，调节直流电动机的转速就能控制交流发电机输出的电压和频率。自从电力电子器件获得广泛应用以后，旋转变频机组便逐渐被淘汰，并形成了一系列通用型的静止式变压变频装置。2.1 静止式变压变频器的主要类型2.1.1 交-直-交和交-交变压变频器从整体结构上看，静止式的电力电子变压变频器可分为交-直-交和交-交两大类。(1)交-直-交变压变频器交-直-交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流(可控电压或恒压)，再通过逆变器变换成可控的交流(只控制频率或同时控制频率和电压)，如图2-1 所示。由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流环节”，所以又称间接式的变压变频器。上海大学 陈伯时具体的整流和逆变电路种类很多，当前应用最广的是由二极管组成不控整流器和由全控型功率开关器件(P-M O S F E T，I G B T等)组成的脉宽调制(P W M)逆变器，简称PWM变压变频器，如图 2-2所示。P W M变压变频器的应用之所以如此广泛，是由于它具有如下的一系列优点:1)在主电路整流和逆变两个变流单元中，只有逆变单元是可控的，采用全控型的功率开关器件，通过驱动电压脉冲进行控制，可同时调节变频器的输出电压和频率，结构简单，效率高。2)输出电压波形虽然是一系列的脉冲波，但由于采用了恰当的 PWM控制技术，正弦基波的比重较大，影响电动机运行的低次谐波受到很大的抑制，因而转矩脉动小，稳态性能好，调速范围宽。3)逆变器同时实现调压和调频，系统的动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响，动态性能较高。4)采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因数较可控整流器高，且不受逆变器输出电压高低的影响。P W M变压变频器常用的全控型功率开关器件有:P-图 2-1 交-直-交(间接)变压变频器(接上期)图2-2 交-直-交P W M 变压变频器C-滤波电容交流电机变频调速讲座Lectures on Variable Frequency Speed Control of AC Machines第二讲 静止式变压变频器Static VVVF Converters电力电子2 0 0 7 年1 期48|Power ElectronicsM O S F E T(小容量)、I G B T(中、小容量)、G T O、I G C T、I E G T(大、中容量)等。受到开关器件额定电压和电流的限制，对于特大容量电机的变压变频调速仍只好采用半控型的晶闸管(S C R)，即用可控整流器调压和逆变器调频的交-直-交变压变频器，见图 2-3。(2)交-交变压变频器交-交变压变频器的结构如图2-4 所示，它只有一个变换环节，把恒压恒频(C V C F)的交流电源直接变换成V V V F的输出，因此又称直接式变压变频器。有时为了突出其变频功能，也称作周波变换器(C y c l o c o n v e r t e r)。常用的交-交变压变频器输出的每一相都是一个由正、反两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路，也就是说，每一相都相当于一套直流可逆调速系统的反并联可逆线路(图 2-5 a)。正、反两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压 u 0，u 0的幅值决定于各组可控整流装置的控制角，u 0的频率决定于正、反两组整流装置的切换频率。如果控制角一直不变，则输出平均电压是方波，如图 2-5 b所示。要获得正弦波输出，就必须在每一组整流装置导通期间不断改变其控制角，例如，在正向组导通的半个周期中，使控制角由/2(对应于平均电压u 0=0)逐渐减小到0(对应于u 0 最大)，然后再逐渐增加到/2(u 0 再变为0)，如图2-6 所示。当角按正弦规律变化时，半周中的平均输出电压即为图中虚线所示的正弦波。对反向组负半周的控制也是这样。交-交变压变频器虽然在结构上只有一个变换环节，省去了中间直流环节，看似简单，但所用的器件数量却很多，总体设备相当庞大。不过这些设备都是直流调速系统中常用的可逆整流装置，在技术上和制造工艺上都很成 熟。这类交-交变频器的其它缺点是:输入功率因数较低，谐波电流含量大，频谱复杂，因此须配置滤波和无功补偿设备。其最高输出频率不超过电网频率的 1/3 1/2，一般主要用于轧机主传动、球磨机、水泥回转窑等大容量、低转速的调速系统。由这类变频器给低速电动机供电进行直接传动时，可以省去庞大的齿轮减速箱。近年来又出现了一种采用全控型开关器件的矩阵式交-交变压变频器，采用 PWM控制方式，输出电压和输入电流的低次谐波都较小，输入功率因数可调，输出频率不受限制，能量可双向流动，以获得四象限运行。但当输出电压必须接近正弦波时，最大输出输入电压比一般只有 0.8 6 6，现在已有电压比更高的研究成果。2.1.2 电压源型和电流源型逆变器在交-直-交变压变频器中，按照中间直流环节直流电源性质的不同，逆变器可以分成电压源型和电流源型两类，两种类型的实际区别在于直流环节采用怎样的滤波器。图 2-7绘出了电压源型和电流源型逆变器的示意图。在图 2-7 a中，直流环节采用大电容滤波，直流电压波形比较平直，输出交流电压是矩形波或阶梯波，称为电压源型逆变器(V S I，V o l t a g e S o u r c e I n v e r t e r)，或简称电压型逆变器。在图 2-7 b中，直流环节采用大电感滤知识讲座Lectures图 2-3 可控整流器调压、逆变器调频的交-直-交变压变频器图 2-4 交-交(直接)变压变频器a)每相可逆线路 b)方波型平均输出电压波形图2-5 交-交变压变频器每一相的可逆线路及方波输出电压波形图2-6 交-交变压变频器的单相正弦波输出电压波形a)电压源型 b)电流源型图2-7 电压源型和电流源型逆变器示意图电力电子 2 0 0 7 年1 期Power Electronics|49波，直流电流波形比较平直，输出交流电流是矩形波或阶梯波，叫做电流源型逆变器(C S I，C u r r e n t S o u r c eI n v e r t e r)，或简称电流型逆变器。两类逆变器的主电路虽然只有滤波环节不同，性能上却有明显的差异，主要表现如下:1)能量的回馈。用电流源型逆变器给异步电动机供电的电流型变压变频调速系统有一个显著的特征，就是容易实现能量的回馈，从而便于四象限运行，适用于需要回馈制动和经常正、反转的生产机械。采用电压型的交-直-交变压变频调速系统要实现回馈制动和四象限运行却很困难，因为其中间直流环节有大电容钳制着电压的极性，不可能迅速反向，而电流受到器件单向导电性的制约也不能反向，所以在原装置上无法实现回馈制动。必须制动时，只能在直流环节中并联电阻实现能耗制动，或者与整流器反并联一组反向的可控整流器，用以通过反向的制动电流，而保持电压极性不变，实现回馈制动。这样做，设备要复杂得多。2)动态响应。正由于交-直-交电流型变压变频调速系统的直流电压极性可以迅速改变，所以动态响应比较快，电压型系统采用 P W M控制时也能获得较快的动态响应。3)应用场合。电压源型逆变器属恒压源，电压控制响应慢，不易波动，适于做多台电动机同步运行时的供电电源，或单台电动机调速但不要求快速起制动和快速减速的场合。采用电流源型逆变器的系统则相反，不适用于多电动机传动，但可以满足快速起制动和可逆运行的要求。2.1.3 1 8 0 导通型和1 2 0 导通型逆变器交-直-交变压变频器中的逆变器一般接成三相桥式电路，以便输出三相交流变频电压，图 2-8绘出了由 6个电力电子开关器件 V T 1 V T 6组成的三相逆变器主电路，图中用开关符号代表任何一种电力电子开关器件。控制各开关器件轮流导通和关断，可使输出端得到三相交流电压。在某一瞬间，控制一个开关器件关断，同时使另一个器件导通，就实现了两个器件之间的换流。在三相桥式逆变器中，有1 8 0 导通型和1 2 0 导通型两种换流方 式。同一桥臂上、下两管之间互相换流的逆变器称作1 8 0 导通型逆变器，例如，当V T 1 关断后，使V T 4 导通，而当V T 4 关断后，又使V T 1 导通，其它各相亦均如此。这时，每个开关器件在一个周期内导通的区间是1 8 0。在1 8 0 导通型逆变器中，除换流期间外，每一时刻总有3 个开关器件同时导通。但须注意，必须防止同一桥臂的上、下两管同时导通，否则将造成直流电源短路，谓之“直通”。为此，在换流时，必须采取“先断后通”的原则，即先给应该关断的器件发出关断信号，待其关断后留有一定的时间裕量，叫做“死区时间”，再给应该导通的器件发出开通信号。死区时间的长短视器件的开关速度而定，为了保证安全，设置死区时间是非常必要的，但它会增大输出电压波形的畸变。1 2 0 导通型逆变器的换流是在同一排不同桥臂的左、右两管之间进行的，例如，VT1关断后使 VT3导通，V T 3关断后使 V T 5导通，V T 4关断后使 V T 6导通等等。这时，每个开关器件一次连续导通1 2 0，在同一时刻只有两个器件导通，如果负载电机绕组是 Y联结，则只有两相导电，另一相悬空。2.2 通用变压变频器现代通用变压变频器(以下简称“通用变频器”)大都采用交-直-交电压源型 1 8 0 导通的变压变频器，其中由交流电源到恒定的中间直流电压用二极管整流器整流，由中间直流电压到变压变频的交流输出采用全控型开关器件 I G B T或智能功率模块(I P M)组成的脉宽调制(P W M)逆变器，它已经占据了全世界 0.5 5 0 0 k V A 中、小容量变频调速装置的绝大部分市场。所谓“通用”，包含着两方面的含义:一是可以和通用的笼型异步电动机配套使用;二是具有多种可供选择的功能，适用于各种不同性质的负载。图2-9 绘出了通用变频器主电路的原理图(图中未画出开关器件的吸收电路和其它辅助电路)。大电容滤波器的中点O 为逆变器提供了直流电源的中点电位，它与负载(电动机)中性点 的电位未必是相同的，在分析负载电压波形时必须注意。为了减少逆变器输出电压的谐波，通用变频器的输出知识讲座Lectures图2-8 三相桥式逆变器主电路图2-9 通用变频器主电路原理图电力电子2 0 0 7 年1 期50|Power Electronics电压和频率经常采用脉宽调(P W M)控制，关于脉宽调制的方法，将在第三讲中详细叙述。2.3 中压大容量变压变频器随着工业生产的发展，大功率调速设备的应用日益增多，在交流电气传动中，相应的电动机一般都是 3 1 0 k V的交流中压电动机，这就提出了中压大容量变频技术问题。按照电力系统对电压等级的划分，千伏级电压属于中压，所以这时的变频器应称作“中压变频器”，但国内业界人士也有将它与低压 3 8 0 V对比，习惯称作“高压变 频 器”。从 2 0世纪末到 2 1世纪初，一些耐压高、电流大的全控型器件问世，为构成中压大容量变频器的产品创造了良好的条件。在目前常用的大功率全控型器件中，I G B T的额定电压已达到3 3 0 0 V。而且已开发出两种更高电压的器件:一种是“软穿通”的F S-I G B T(F i e l d s t o p I G B T)，还有一种是“载流子增强注入”的 I E G T，电压都已做到6 5 0 0 V，电流达2 5 0 0 A，而且有的器件也已突破了并联技术;另一方面，在 G T O晶闸管的基础上形成了新的高电压场控器件 I G C T 集成门极换相晶闸管(I n t e g r a t e d G a t e-C o m m u t a t e d T h y r i s t o r)，也已有4 5 0 0 V、4 0 0 0 A 和6 0 0 0 V、2 5 0 0 A 的产品。在大功率器件耐压有限时，可以先用输入变压器 T 1将电压降到低压水平，接到低压变频器变频，然后再用输出变压器 T 2升高电压后，给中压电动机供电，这叫做中-低-中(或称高-低-高)变频方案，如图2-1 0 所示。这种方案的优点是，可以用低压变频器，便于实现;缺点是，多用了两台变压器，增加了整个变频装置的成本和占地面积，降低了变频系统的效率。随着电力电子开关器件额定电压的提高，这种方案已很少应用。在常用的电压源型交-直-交变频器中，有两种实现中压的途径:一是将电力电子器件串联，以满足中压要求，变频器结构为二电平逆变器，但需要解决由于电力电子器件串联而引起的动、静态均压问题;二是采用多电平逆变电路结构，可以避开器件串联问题而仍有较好的技术性能，应用较多的是三电平变频器和逆变单元 H 桥级联式多电平变频器。2.3.1 中性点钳位型三电平逆变器通用变频器由有正、负两极的中间直流电压给逆变器供电，称作二电平逆变器。需要逆变器输出电压较高时，二电平逆变器开关器件的耐压可能不够，为此研制出三电平逆变器，这时，交流侧每相输出端从中间直流回路取得的电压有三种电位，即正端电压 P、负端电压 N和中性点零电位 O。三电平逆变器有几种拓扑结构，目前应用最广泛的是中性点钳位型三电平逆变器。中性点钳位型(N e u t r a l P o i n t C l a m p e d，N P C)型三电平逆变器一相电路原理图如图 2-1 1所示。其特点是，每相桥臂由 4 个电力电子开关器件串联组成，每个器件都反并联一个续流二极管，用电容分压得到的直流回路中性点 O由两个钳位二极管 V D5、V D6分别接到上下桥臂开关器件的中点，这样，每个电力电子开关器件的耐压值可降低一半，平均每个主开关器件所承受的正向阻断电压为U d/2。由图可见，在三电平逆变器中，每一相需要四个主开关器件、四个续流二极管和两个钳位二极管。中性点钳位型逆变器主电路有 3 钟稳态工作模式:(1)工作模式1 开关器件V I1、V I2导通，V I3、V I4关断电流途径有两种情况:电流方向为流入负载，即电流从 P点经过 V I1、V I2到达输出端 A。若忽略功率开关器件的正向导通管压降，则输出端电位等同于P 点电位。电流从负载流出，此时电流从输出端 A经过续流二极管 V D2、V D1注入 P点，输出端 A点电位仍等同于P 点电位。(2)工作模式2-V I2、V I3导通，V I1、V I4关断 电流流入负载，则电流从中性点 O通过钳位二极管 V D 5、主开关管 V I2到达输出端，输出端电位等同于 O点电位。电流从负载流出，从输出端流过 V I3、V D6注入图2-1 0 具有输入/输出变压器的中-低-中变频方案图2-1 1 三电平逆变器一相电路原理图知识讲座Lectures电力电子 2 0 0 7 年1 期Power Electronics|51中性点，该相输出端电位仍等同于 O点电位。在这种情况下，V D5、V D6与 V I2、V I3一起把输出端钳制在中性点电位上。(3)工作模式3-V I3、V I4导通，V I1、V I2关断电流途径与工作模式 1相仿，使输出端A点电位等同于 N点电位。由以上分析可见，在中性点钳位型逆变器中，主开关管 V I1和 V I4不能同时导通，而V I1和 V I3、V I2和V I4的工作状态是互反的，这是三电平逆变器的基本控制规律。三种工作模式的开关状态与每相输出电压列于表2-1。要从一种稳态工作模式切换到另一种稳态工作模式必然需要换流，从三电平逆变器的性质上看，是不允许 P和 N 两种开关状态之间直接相互切换的，只允许P O N或 N O P的切换，这在控制中必须予以保证。根据表 2-1所示的逆变器一相桥臂开关管的工作状态，对开关管的控制可以采用按导通时间调节触发延迟角的单脉冲方式，也可采用脉宽调制方式。对应的A相输出电压波形uA O=f(t)。如图2-1 2 所示，其中图a)为单脉冲控制方式，在一个周期内电压波形呈正、负半波对称的矩形波，图b)为脉宽调制控制方式。对逆变器另两个桥臂开关管的控制应使其输出端电压波形分别比uA O(t)滞后2/3 与4/3 电角度。在工程应用中，我们关心的是负载上的电压波形。设逆变器三个桥臂的输出端接三相对称 Y接电阻负载，中点为 O ，如图 2-1 3所示。输出相电压为 uA O(t)、线电压为 uA B(t)。负载中点 O 与直流电源中性点 O并不一定是等电位，设其电位差为 UOO，则负载各相的相电压分别为000AOAuuu=000BOBuuu=000COCuuu=将三式相加，并考虑到0000ABCuuu+=，经整理后得001()3AOBOCOuuuu=+由此可求得 A相负载相电压为01()3AAOAOBOCOuuuuu=+(2-1)在单脉冲控制方式下，当控制角=3 0 时，三相输出端对直流电源中点 O 间的电压波形如图2-1 4 所示。图中每一相开关器件都经历了 P、O、N 三个开关状态。以A 相为例，在t=(0/6)区间，为 O 状态;在(/6)区间为 P 状态(V I1、V I2导通)，uA O=+U d/2;在(7/6)区间为 O 状态(V I2、V I3导通)，uA O=0;在(7 /6 2)区间为 N状态(V I3、V I4导通)，uA O=-U d/2。根据图 2-1 4的波形，可以列出在一个周期内每/6小区间逆变器三相桥臂所处的工作状态，亦即表示了此时的三相输出电压值，见表2-2。根据表2-2 和式(2-1)可求出A 相负载在不同区间的电压:表2-1 主管开关状态与每相输出电压a)单脉冲控制方式 b)脉宽调制控制方式图 2-1 2 N P C 逆变器输出端电压波形图2-1 3 逆变器的负载图2-1 4 逆变器三相输出端电压波形知识讲座Lectures电力电子2 0 0 7 年1 期52|Power Electronics表2-2 逆变器输出端在不同区间的工作状态(=3 0 )区间0 /6:01110(0)0322AdduUU=+=区间/6 2/6:011 1111()23 2223AddddduUUUUU=+=区间2 /6 3/6:011 111(0)23 222AdddduUUUU=+=区间 3 /6 4/6:011 1112()23 2223AddddduUUUUU=区间4 /6 5/6:011 111(0)23 222AdddduUUUU=+=区间5/6 :011 1111()23 2223AddddduUUUUU=+=同理可求得 A相另一半周期的0()Aut以及另外两相电压0()But、0()Cut的波形，绘于图 2-1 5 a、b、c中。A、B 相间的线电压波形uA B=f(t)(图2-1 5 d)可由00()()AButut得 到。相电压波形是由 7 种以直流回路电压 Ud为单位的不同电压值组成的多阶梯波，这 7种电压值是dU32、dU31、dU21、0。采用 P W M控制方式时，还将有dU61的阶梯波出现。根据输出电压波形的分析可以概括中性点钳位型三电平(N P C)逆变器的特点如下:(1)N P C 三电平逆变器总是在 P-O 或 O-N 的状态间切换(或反之)，开关器件所承受的关断电压被限制在直流中间回路电压的一半，因此三电平逆变器可在一定程度上解决中压大容量变频器电力电子器件耐压不够高的问题。采用3.3 k V 的I G B T组成三电平逆变器时，输出交流电压最高可达 2.3 k V;采用 4.5 k V的 I G C T 时，中间直流电压可提高到3.0 3.5 k V。(2)二电平P W M逆变器输出的负载相电压为5种电平，而三电平逆变器则可有7 9 种电平，各级电平间的幅值变化相对降低了，从而减少了d v/d t 对电动机绝缘的冲击。(3)二电平P W M 逆变器输出的负载线电压为3 种电平，而三电平逆变器则有 5 种电平。当开关频率相同时，可使输出电压波形质量有较大改善。反之，当两种逆变器输出允许有相同的谐波含量时，三电平逆变器的开关频率可以低一些，开关损耗也会下降。为了进一步减少谐波对电动机的影响，一般在三电平逆变器的输出端还装有滤波器，这样就可用普通的电动机，不需要降容使用。(4)在N P C三电平逆变器中，采用两个容量相等的电容分压构成中点。在空载情况下，中点电位为 0，但在有负载的情况下，当中点有电流流过时，会造成中点电位的变化，偏离对称情况下的零电位，从而影响输出波形的正弦度。这是三电平逆变器的一个问题，可以通过控制或改进拓扑结构以抑制中性点电位的偏移。2.3.2 H 桥级联式多电平 P W M 变频器H桥级联式多电平 P W M变频器是一类电压源型变频器，由它向 k V级的中压交流电动机供电。变频器各相都由若干个独立的功率变换单元串联组成，如图 2-1 6所示，图中 A1、A2、B1、B2、C1、C2、分别表示串联在A、B、C三相上的功率变换单元，三相 Y接，中性点为 N。图2-1 5 输出相电压与线电压波形图2-1 6 H 桥级联式多电平中压变频器原理图知识讲座Lectures电力电子 2 0 0 7 年1 期Power Electronics|53每个功率变换单元都是 P W M控制的低压单相 H桥逆变器，如图 2-1 7所示，这时，只需要常规耐压的功率开关器件，就能构成中压输出的变频器。例如，若电动机的额定电压是6 k V，每相可由 5 个额定输出电压为 6 9 0 V的功率单元串联组成，输出的总相电压额定值为 6 9 0 V5=3 4 5 0 V，线电压为33450V=5 9 7 5 V，接近 6 k V。此时的功率单元都是低压变频器，这些功率单元应能承受电机的额定电流，但它们只须提供1/5 的电动机额定相电压和 1/1 5 的电动机额定功率，对于6 k V的电动机只需要耐压为 1 7 0 0 V的 I G B T，而且不需要器件的串、并联。图 2-1 8 绘出了H 桥级联式多电平变频器的主电路结构图，输入电源采用多重化移相变压器，共用一个初级绕组，而有多个曲折接法的次级绕组，使各功率单元的电源有不同的相位关系，形成多重化联接。例如图2-1 8的多电平变频器每相有 5个功率单元串联时，输入变压器的 5个次级绕组与初级绕组间的相位关系分别为超前 2 4、超前 1 2、同相位、滞后 1 2 和滞后 2 4，三相都是如此。多重化可以改善变压器输入侧的电流波形，对电网的图2-1 7 功率变换单元图2-1 8 H 桥级联式多电平变频器主电路结构图谐波污染小，输入功率因数高，而且变频器和电动机在电气上都是与交流电网隔离的。H桥级联式多电平 P W M变频器的输出电压采用多电平移相式 P W M控制，同一相中不同功率单元的 P W M三角载波互差一定的相位，以增加输出电压波形的阶梯，降低其d v/d t,提高等效开关频率，改善输出波形，输出总谐波电流失真基本限制在 1%以内，非常接近理想的正弦波。因此生产这类中压变频器的一些企业在广告中号称是“完美无谐波”。图2-1 9 给出了一台6 k V 多电平变频器的输出线电压和相电流的波形。上述优良性能对大功率变频器来说是很重要的。除此以外，变频器的每个功率单元在结构上都是一致的，做成同样的单元插入式结构，既便于维修，储存备品和损坏时替换都很方便。当一个功率单元出现故障时，还可以对该单元采取旁路措施，整个变频器仍可降额使用，不致停车。自从 2 0世纪末期国际上推出这种产品以后，很快在大容量中高压风机水泵节能调速传动中获得推广，近年来我国一些企业也相继开发出此类变频器，据统计，国内此类大功率变频器的总销售量已达约 2 0 0 0台。由于功率单元采用二极管整流器，难以使电机有四象限运行的功能，目前较多用于大功率风机、水泵的传动系统。随着控制系统的改进，改用源端 P W M整流器，引入无速度传感器的矢量控制技术后，级联式多电平大容量中压变频器正在向更高性能的领域迈进。（未完待续）图2-1 9 6 k V 变频器的输出线电压和相电流波形知识讲座Lectures