通用变频控制技术优缺点对比分析.pdf

DCIENCE&TECHINOLOGYVISION科技视界通用变频控制技术优缺点对比分析区刘鎏草韩剑波骆攀（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川成都610213)摘要：变频技术是一种把直流电逆变成不同频率的交流电的转换技术，即通过改变供电频率，达到调节负载，降低功耗，减小损耗，延长设备使用寿命等目的。因此，变频技术在电厂大功率设备启动、调速运行、节能改造中承担重要作用。那么，变频控制技术体系中最为核心的技术有哪些呢？文章对比分析了通用变频技术在主电路拓扑结构、脉宽调制技术、变频控制策略、核心功率器件等核心)技术方面的优缺点，并作科普化解读，还给出了不同场合变频技术的应用建议，为技术人员了解、应用变频控制技术提供参考。关键词：变频；主电路；脉宽调制；控制策略；功率器件引言变频技术是一门采用微控制器和其他控制部件，通过一定时序来控制供电回路中功率半导体器件的开通和关断，从而改变供电频率的技术。与传统工频控制技术相比，变频控制技术实现电路通断的关键部件不再是接触器、继电器，而是CPU和半导体。尽管在技术上带来了复杂性，但是变频可以将整个物理系统由刚性变得柔性，由不控变得可控，由粗狂变得精细，因此变频技术的应用日益广泛。近年来，随着电力电子技术、微电子技术以及现代控制理论的发展，变频控制技术在成熟性、可靠性、经济性上有了本质性的提升，已广泛应用到钢铁、电力、石油、煤炭、治金、高速动力牵引、磁悬浮列车等国民经济领域。在核动力行业，变频技术的应用也已开始斩露头角，例如第三代压水堆技术AP1000、CAP1400堆型中的主泵、循环水泵变频控制；模块化小堆等新堆型中主给水泵的变频控制等。对于电动泵这类典型大功率交流负载来说，基于变频控制技术的交流拖动系统具有调速范围广、精度高、动态响应好、节约能源等诸多优点，可以降低电力系统的负荷压力，优化工作者简介：刘鎏，湖北武汉人，工学硕士，高级工程师，主要研究方向为电气控制与电力电子技术。艺系统的设计。变频技术涉及的学科范围较广，需要系统运用强电、弱电、控制理论、电磁兼容等多方面知识，对技术人员科技素养要求较高。本文主要从变频控制技术体系中最为核心的技术内涵以及应用问题等方面进行对比分析，并作科普化解读，以加强相关技术从业人员对变频控制技术的理解和认识，从而达到普及推广变频技术应用，为工艺系统、电力系统乃至电站运行提供设计优化的目的。一、变频技术核心内涵变频技术的核心内涵主要包括主电路拓扑结构技术、脉宽调制（PulseWidthModulation，PWM）技术、控制策略技术、核心功率器件选型。如果将变频器比作一个人，那么主电路拓扑结构就如同人的骨骼，基本决定了变频器的高矮胖瘦；PWM调制技术就如同人的四肢，变频器的运行步伐、节奏全靠它；控制策略就如同人的大脑，将变频器的各个部分有机组织起来并进行指挥协调；核心功率器件如同人的心脏，拥有一颗强大的心脏是变频器能否健康长寿的关键。66科技视|Science&TechnologyVisionNEWTECHNOLOGYAPPLICATION新技术应用（一）变频主电路拓扑结构变频器的主电路拓扑结构是电能在电网和用电设备中进行能量交换的桥梁。根据变频器直流母线储能环节构成，主电路拓扑结构一般分为电压源型和电流源型。电压源型结构主要依靠大容量电容储能，电流源型结构主要依靠大容量电感储能。由于电感线圈天然具有体积大、重量重的物理特性，对变频器整体尺寸影响很大，因此除非特殊场合，一般均采用电压源型结构。而根据任一时刻变频器输出电压的幅值，电压源型结构又可分为两电平结构（即任一时刻，相电压输出为0 或母线电压）和三电平（即任一时刻，相电压输出为0 或者土母线电压）及以上结构。两电平结构中，功率半导体器件需求数量最少，成本最低，但是谐波输出含量最高，一般用在小功率及低压场合；三电平及以上结构中，功率半导体器件需求数量成倍增加，成本上升，但谐波含量会随着电平数的增加而大幅减少，一般用在大功率及中高压场合。在变频器主电路拓扑结构选择上，需根据不同应用需求、经费需求妥善选取。对于低压变频驱动场合，由于功率器件承压远低于其耐受范围，且通过专门的输出滤波器可以有效地治理谐波，因此一般采用两电平交直交主电路拓扑结构。对于使用空间要求极高的场合，在经费充裕的情况下，为了在减小输出滤波器体积的同时保证供电品质，主电路也可采用三电平结构。对于中高压变频驱动场合，若使用空间充裕，采用单元串联多电平型拓扑结构（AP1000主泵变频器即采用该结构，通过大型移相变压器的多个二次绕组抽头实现降压和多电平串联）的变频器有着很好的结构优势，输人、输出波形谐波含量小，对驱动电机没有特殊要求，而且容易实现部件穴余化设计，设备可用性较高。但是由于输人存在变压器，器件数量也很多，因此设备体积、重量大，容易造成布置上的困难。对于空间紧张的场合，则可采用基于二极管钳位三电平结构主电路的变频器，省去了移相变压器，体积大大缩小，且通过输出滤波处理措施也能将谐波指标控制得比较好。此外，在变频器整流侧采用可控PWM技术可以使交流输人电流波形近乎正弦，且功率因数接近于1，实现能量向电网的回馈和变频器四象限运行，是目前变频器主电路拓扑结构的一个发展方向。（二）核心功率器件核心功率器件是变频器的主要开关器件，用于电源的频繁接通和关断。其基本特性主要包括：开通时，导通压降要小，载流量要大，关断时，漏电流要小，反向承压要大；开关频率要高，上升下降时延要短；同时，寿命要长、体积要小、散热性能要好等。经过几十年发展，日前常见功率器件有门极自关断晶闸管GTO、绝缘栅双极晶体管IGBT、集成门极换流晶闸管IGCT、电子增强注入型栅极晶体管IEGT和发射极关断晶闸管ETO等。GTO是最早的大功率自关断器件，具有电流密度大（6 0 0 0 A）、耐电压能力高（6 50 0 V）的突出优点，是目前能承受电压最高和流过电流最大的全控型器件，最适合大功率应用，不足之处是开关频率低、损耗高、驱动电路复杂、缓冲吸收电路庞大、电磁兼容性差。IGBT是一种复合型全控器件，具有输入阻抗高、开关速度快、耐压高、电流密度大、驱动功率小、开关损耗小等优点，是目前中等功率变频器中的主流器件，不足之处是通态压降较高，导电损耗较大。目前，常用型号除低压IGBT（17 0 0 V/12 0 0 A 及以下）外，已开发出高压IGBT，可达3.3kV/12kA或4.5kV/9kA。I G C T 是在GTO和IGBT基础上发展起来的新型功率器件，技术参数介于GTO和IGBT之间，兼有二者优点，又克服了一些不足之处，具有通态压降小、开关损耗低、承压高、电流大等显著特点，主要用于兆瓦级中高压场合。IEGT是在栅极通过采取增强电子注人结构实现耐压达4kV以上的IGBT系列功率器件，兼具GTO的低通态压降以及IGBT的大电流导通能力，日益受到市场重视。ETO则是在金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）基础上发展出来的一种新型功率器件，具有全电压驱动、高阻断电压、大电流密度和低通态压降、开关特性好等优点，可在无缓冲电路的情况下可靠关断，所需驱动功率非常小，适用于中高压、高频率的应用场合。总体而言，在中高压（3kV及以上）变频技术领域，功率器件以GTO、I G CT、I G BT 为主。其中在中等电压、大电流、大功率、低开关频率（1kHz及以下）的传动领域，如电力牵引机车，GTO、I G C T 有着独特的优势；而Science&Technology Vision|科技视6 7DCIENCE&STECHINOLOGYVISION科技视界在中等电流（10 0 0 A以内）、高载波频率、高斩波频率下，IGBT应用较多。随着研究深人，新型器件EGT、ETO的应用也日益成熟，但还难以与IGBT相抗衡。在低压（1kV及以下）变频技术领域，IGBT因其优良的开关断性能、较高的性价比成为功率器件的首选。在部分通断电流不太大的场合，IGBT也可应用于采用了优化拓扑结构的中高压变频器中。此外，集功率变换、驱动、检测、控制、保护等功能于一体的智能功率模块IPM（I n t e llig e n t Po w e r M o d u le），由于可以减少体积、降低噪声开扰、改善驱动和保护性能，预计后续应用将更加广泛。（三）脉宽（PWM）调制技术脉宽调制技术，即采用面积等效原理，把希望输出的信号波形（如正弦波）作为调制信号，把接受调制的信号作为载波（如等腰三角波），通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。将PWM信号施加于功率器件的驱动端，即可控制器件的开通关断。常见PWM调制技术一般可分为SPWM（Sin u s o id a lPWM）、SV PWM（Sp a c e Ve c t o r PWM）、特征谐波消除型PWM（Se l e c t e dHarmonicEliminationPWM，SH EPWM）、随机型PWM等。其中，SPWM是最早出现的PWM调制算法，技术成熟，多用于早期变频器中，主要缺点是直流电压利用率较小，仅为8 6.7%，输出电压变化率du/dt和输出谐波较大。SVPWM是目前最为常见的PWM方法，其计算模块一般内置于变频器控制芯片中，因此得到广泛应用。与SPWM着眼于使变频器输出正弦电压不同，SVPWM将变频器与电动机视为一体，着眼于使电动机获得幅值恒定的圆形磁场，因此性能更好。相较SPWM，SV PWM的直流电压利用率可达10 0%、线性工作范用更大、输出谐波更小，并且不需要任何额外的硬件开销。目前低压变频器一般采用两电平SVPWM技术，高压变频器根据其主电路拓扑结构采用三电平SVPWM技术。对于更多电平的SVPWM算法，尽管可以降低变频器输出谐波和功率器件的承压，但是由于其功率器件使用数量和算法复杂程度呈几何级数升高，一般不采用。SHEPWM可以消除指定的低次谐波，但消除的低次谐波数量越多，计算量越大，而且尽管消除了指定的低次谐波，但是可能导致其他频次谐波幅值更大。随机PWM可以获得较好的电压频谱，理论上可使谐波均勾分布以减少电磁干扰，类似白噪声，但是工程设计复杂，实现难度较大。SHEPWM和随机PWM技术一般只针对某些具有特定需求的应用场合使用 2。（四）变频控制策略交频技术中的最为常用的控制策略主要包括V/F控制（Voltage/FrequencyControl，V/FCo n t r o l）和矢量控制（VectorControl，VC）。VF控制即恒压频比控制，变频器输出电压与输出频率呈线性变化，是一种最为简单的控制方法，能够满足一般的平滑调速要求，但是这种控制在低频时由于输出电压较小，定子阻抗压降的分量比较显著，从而导致输出转距随着频率的降低而减小，限制调速系统的带载能力，一般使用在轴流风机、离心泵等对调速要求不高、负载呈平方降转矩特性的场合。量控制的基本思想是通过坐标变换，将三相异步电动机等效成为一台在空间上以供电频率旋转的直流电机，从而达到以控制直流电机的方式来控制交流电机的目的。具体而言，矢量控制通过坐标变换将异步电动机的定子电流分解为产生磁场的电流分量（相当于直流电动机的励磁电流）和产生转矩的电流分量（相当于直流电动机的电枢电流）分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位。矢量控制实现了磁链与转矩的解耦，有利于分别设计两者的调节器，以开展对交流电机的高性能调速，获得与直流调速系统同样的静、动态性能。矢量控制一般使用在对调速要求较高、负载特性较硬的场合，如起重机、柱塞泵的变频启动和运行。二、变频技术应用需注意的问题（一）技术标准体系问题国际上变频技术主要标准体系主要包括IEC（国际电工委员会）标准体系、北美标准体系以及国标体系。IEC相关标准核心是IEC61800系列（AdjustableSpeedElectricalPowerDriveSystems），包含7 个部分，最为重要的是第14部分，主要适用于10 0 0 V以下直流、1000V以下交流和135kV交流变频驱动系统，规定68科技视|Science&TechnologyVisionNEWTECHNOLOGYAPPLICATION新技术应用了系统构成及其内部电力变流器、控制设备、电动机的通用技术要求以及电磁兼容相关要求。北美（主要是美国和加拿大）相关标准主要包括UL347A（M e d i u mVo l t a g ePowerConversionEquipment），用于指导中压变频器设计制造，应用较广；IEEE519（R e c o m m e n d e d Pr a c t i c e sand Requirements for Harmonic Control In Electrical PowerSystems），主要规定了变频器谐波方面的要求；IEEE1566(Standard for Performance of Adjustable-Speed ACDrivesRated375kWandLarger），主要用于指导设计者编写采购规格书；IEEE958（G u i d e f o r A p p l i c a t i o n o f A CAdjustable-speed Drives on 2400 to 138000 Volt AuxiliarySystems In Electric Power Generating Stations）主要用于指导发电厂中2 40 0 138 0 0 V电动机的变频器选择、操作、应用。我国GB/T12688调速电气传动系统系列标准同IEC61800系列标准一致。针对上述标准，总体而言，IEC/GB系列标准对设备制造、试验、性能要求等方面都做了详细的规定，在编制国产化设备的规格书中，应根据这些标准对设备各方面要求进行界定。对于类似AP1000主泵变频器这种美标的设备，其采用的是IEEE、UL标准设计和制造的，在技术引进或者国产化生产中，不能简单强制要求遵循IEC标准，可能造成不必要过分析或者过设计。IEEE958和IEEE1566对设计中如何采用变频调速进行电气拖动系统设计进行了指导，而在IEC/GB标准体系中，目前还缺乏类似的设计层面技术指导的标准，因此在今后的电气变频调速系统设计中可以对这些标准加以参考，充分借整其中的有益思想。（二）谐波污染与抑制问题变频器由于内部功率器件长期处于高速通断状态，加之自身一般含有开关电源等非线性电路，在运行时不可避免地会在设备周围产生高频谐波污染，严重时可能导致周边精密仪器设备不能工作。因此在变频器设计和使用上，除了实现变频相关功能，还需同步考虑谐波污染治理问题。变频器的谐波污染主要包括3个方面：一是电磁发射，二是负载谐波，三是电网谐波。电磁发射主要影响微弱电气信号的传输，一般需要在变频器结构设计中采取良好的接地连续性措施（如采用密闭机柜或机柜开孔采用屏被丝网、柜门采用镀银导电胶条等）、采取良好的电装和布线工艺等措施解决。负载谐波过高会破坏电机绕组绝缘、使电机运行产生脉动和额外的热损耗。一般可在变频器输出端加装电抗器或正弦波滤波器，以抑制输出电压du/dt，降低谐波含量 3。电网谐波过高则会影响网侧对其他用电设备的供电质量，可以在变频器主电路输人端加装EMC滤波器、在储能环节加装直流电抗器等措施来进行抑制，滤波器和电抗器的参数必须与变频器的设计参数相匹配。（三）噪声抑制问题变频器运行时，功率器件的损耗较大，一般采用风冷或水冷的方式将损耗产生的热量导出去。采用水冷时，噪声较小，无须考虑额外的降噪手段；采用风冷时，变频器噪声与其散热功率、风机大小、风机转速密切相关。在噪声敏感的场合，一般应采用大时片、低转速、高静压风机。除风机以外，电抗器也是变频器噪声来源不可忽视的一个重要因素。电抗器由铁芯和绕组组成，构成铁芯的硅钢片在电流交变磁场的作用下会产生周期性磁致伸缩振动，从而造成较大的电磁噪声，一般通过选用薄硅钢片、高导磁硅钢材料、降低铁心磁通密度等措施来加以抑制。三、结语本文对通用变频控制技术的主电路拓扑结构、调制方法、控制策略、功率器件等核心技术内涵以及应用注意问题等方面进行了科普式对比分析，可帮助相关技术人员从宏观上掌握变频领域技术知识，并可为相关系统设计、设备研制、设备节能改造中变频技术的应用提供一定借鉴。参考文献1马习朋.第三代核电AP1000主冷却剂泵的变频设计方案探讨J.电力设备，2 0 0 7（12）：2 0-2 3.2周国华，许建平.开关变换器调制与控制技术综述 J.中国电机工程学报，2 0 14（6）：8 15-8 31.3李深.LC滤波装置在中压变频器上的应用 J.机电信息，2 0 16(18):40-41.Science&Technology Vision|科技视界69