高壓變頻器
發(fā)布時間：2009-09-22 來源：揚子工具集團 瀏覽次數(shù):31306普通電流源型變頻器的輸出電流不是正弦波策坏，而是120°的方波荷腊，電機的電磁轉(zhuǎn)矩
除了平均轉(zhuǎn)矩以外，還有脈動分量檀咙。脈動轉(zhuǎn)矩的平均值為0棋蚌，但它會使轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不
均勻嫁佳，產(chǎn)生脈動，在電機低速時谷暮，還會發(fā)生步進現(xiàn)象蒿往，在適當?shù)臈l件下盛垦，可能引起電
機與負載組成的機械系統(tǒng)的共振。脈動轉(zhuǎn)矩主要是由基波旋轉(zhuǎn)磁通和轉(zhuǎn)子諧波電流相
互作用產(chǎn)生的瓤漏。在三相電機中腾夯，產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩的主要是6n±1 次諧波。6 脈沖輸出電流
源型變頻器輸出電流中含有豐富的5 次和7 次諧波蔬充，5 次諧波產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁勢與基波
旋轉(zhuǎn)磁勢反向蝶俱，7 次諧波產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁勢與基波旋轉(zhuǎn)磁勢同向，而電機轉(zhuǎn)子的電氣旋
轉(zhuǎn)速度基本接近基波磁勢的旋轉(zhuǎn)速度(二者的差別對應于電機的轉(zhuǎn)差率)饥漫，所以5 次諧
波磁勢和7 次諧波磁勢都會在電機轉(zhuǎn)子中切割感應產(chǎn)生6 倍于基波頻率的轉(zhuǎn)子諧波電
流榨呆。基波旋轉(zhuǎn)磁勢和6 倍頻的轉(zhuǎn)子諧波電流共同作用拍斜，產(chǎn)生6 倍頻的脈動轉(zhuǎn)矩行删，所以
6 脈沖輸出電流源型變頻器含有較大的6 倍頻脈動轉(zhuǎn)矩。同樣惹炕，11 次和13 次諧波電流
也會產(chǎn)生12 倍頻的脈動轉(zhuǎn)矩偶嘁。圖42 為6 脈沖輸出電流源型變頻器在輸出頻率為30HZ
時的轉(zhuǎn)矩脈動值(圖中縱坐標采用對數(shù)坐標)。電流源型變頻器采用12 脈沖多重化后睦氧，
輸出電流波形有較大改善是龟，由于5 次和7 次諧波基本抵消，6 倍頻率脈動轉(zhuǎn)矩大大降
低世砰，剩下主要為12 倍頻的脈動轉(zhuǎn)矩后匀，總的轉(zhuǎn)矩脈動明顯降低。
圖42 電流源型變頻器轉(zhuǎn)矩脈動
脈動轉(zhuǎn)矩在低速時對電機轉(zhuǎn)速的影響尤為明顯艘赂。因為渤尚，對三相電機而言，由于
6n±1 次諧波存在听誓，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為Σ∞
=
= + +
1
0 1 cos(6 )
n
m m M M M nω t ϕ 催杆，
其中，Mm為轉(zhuǎn)矩脈動分量的最大值瑞你， 1
ω 為變頻器輸出基波電壓的角頻率酪惭。
根據(jù)電機運動方程，可得由于諧波原因引起的電機轉(zhuǎn)速的脈動分量為
∫Σ Σ∞
=
∞
=
Δ = + = +
1
1
1 1
1 sin(6 )
6
1 cos(6 ) 1
n
m
m
n
m m n t
n
M
J
M n t
J
ω ϕ
ω
ω ω ϕ
由上式可知者甲，電機的轉(zhuǎn)速脈動有以下規(guī)律：轉(zhuǎn)速脈動頻率分別為電機基波角頻率
1 ω
的6n 倍春感，其幅值與變頻器輸出的基波角頻率1
ω (或頻率f)成反比，即輸出頻率(或
電機轉(zhuǎn)速)越低虏缸，轉(zhuǎn)速波動越大鲫懒，也就是說，電機在低速運行情況下刽辙，為了使轉(zhuǎn)速波動
量維持在同一水平窥岩，對輸出諧波抑制的要求更高甲献。轉(zhuǎn)速脈動幅值與變頻器輸出的諧波
次數(shù)n 成反比，即低次諧波所引起的轉(zhuǎn)速脈動比高次諧波的影響更大颂翼。所以晃洒，要使電
機的轉(zhuǎn)速脈動較小，首先要消除或抑制變頻器輸出的低次諧波朦乏，采取高頻PWM 方法球及，
將輸出諧波往高頻推移，不失為減少轉(zhuǎn)速脈動的有效辦法罗炸。
三電平變頻器在不采用輸出濾波器時化歪，也會產(chǎn)生較大的脈動轉(zhuǎn)矩，采用輸出濾波
器后祠乔，轉(zhuǎn)矩脈動可大大降低地毁。
單元串聯(lián)多電平變頻器輸出電流諧波較低娶匠，電機的轉(zhuǎn)矩脈動分量極小橱序，圖43 顯
示了單元串聯(lián)多電平變頻器在輸出頻率為30HZ 時轉(zhuǎn)矩脈動值，各次脈動轉(zhuǎn)矩都在
0.1%以下炭答。
圖43 單元串聯(lián)多電平變頻器轉(zhuǎn)矩脈動
4.2.2 輸出dv/dt 對電機的影響
由于PWM 方式和高速電力電子器件的使用疫橘，變頻器輸出電壓變化率dv/dt 對電機
絕緣產(chǎn)生的影響問題也越來越嚴重。dv/dt 取決于二個方面匾颁，一是電壓跳變臺階的幅
值癌玩，它與變頻器的電壓等級和主電路結(jié)構(gòu)有關(guān)，二是逆變器功率器件的開關(guān)速度帮观，開
關(guān)速度越高污益，dv/dt 越大。
普通的二電平和三電平PWM 電壓源型變頻器由于輸出電壓跳變臺階較大先口，相電壓
的跳變分別達到直流母線電壓和一半的直流母線電壓型奥，同時由于逆變器功率器件開關(guān)
速度較快，會產(chǎn)生較大的dv/dt碉京。高的dv/dt 相當于在電機線圈上反復施加陡度很大
的沖擊電壓厢汹，使電機絕緣承受嚴酷的電應力，尤其當變頻器輸出與電機之間電纜距離
較長時谐宙，由于線路分布電感和分布電容的存在烫葬，會產(chǎn)生行波反射放大作用，在參數(shù)適
合時凡蜻，加到電機繞組上的電壓會成倍增加搭综，引起電機絕緣損壞。所以這種變頻器一般
需要特殊設計的電機划栓，電機絕緣必須加強兑巾。如果要使用普通電機舰讹，必須附加輸出濾波
器。在相同輸出電壓等級前提下闪朱，采用三電平結(jié)構(gòu)后螟衍，相對二電平結(jié)構(gòu)而言，輸出
dv/dt 有所下降冕泡，但在不加輸出濾波器時佩捎，仍不能符合MGI 的標準。
單元串聯(lián)多電平變頻器最大的相電壓跳變等于一個單元的直流母線電壓刑评，對6KV
電壓等級的變頻器而言哑辐，約為900V，功率單元所用IGBT 開通時電壓上升時間為
0.3us且恼，dv/dt 約為3000V/us妹髓，MGI 標準允許的范圍為1us 內(nèi)從10%的相電壓峰值變換
到90%的相電壓峰值，對6KV 電機而言捉寻，約為3919V/us姜筋。所以說這類變頻器輸出
dv/dt 很低，使得電機絕緣不會受到影響硼洁，可以使用普通的異步電機伯板。而且由于輸出
dv/dt 很低，不會產(chǎn)生長電纜時行波反射引起的dv/dt 放大問題欢策，對輸出電纜長度沒
有特殊限制吆寨，目前使用的最長記錄為20 公里。
4.2.3 共模電壓和軸電流對電機的影響
共模電壓(也叫零序電壓)踩寇，是指電機定子繞組的中心點和地之間的電壓啄清。圖44
為典型的電流源型變頻器示意圖(不帶輸入變壓器)。
圖44 典型電流源型變頻器結(jié)構(gòu)圖
由于上下直流母線的濾波電抗器大小相同俺孙，而且流過相同的電流辣卒，所以每個電抗
器上的壓降也相同，因此以接地點G 為參考電平鼠冕，各點電壓符合以下關(guān)系添寺，
pG pG nG nG V − E = E −V ，所以有pG nG pG nG V +V = E + E 懈费，二邊除以2计露，可得，
( ) ( ) mG pG nG pG nG mG V = V +V / 2 = E + E / 2 = E 憎乙。由于整流電路在同一時刻只有二相同時導
通票罐，導致整流電路輸出的直流中點電壓不等于供電電源的中心點電壓，即≠ 0 mG V 。圖
45 是在晶閘管觸發(fā)角為20°時的各點電壓波形颖喧。中點電壓mG V
按照電網(wǎng)電壓三倍的頻率進行變化洒漱，在晶閘管觸發(fā)角為90°時幅值達到最大。
圖45 電流源型變頻器各點電壓波形
電流源型變頻器逆變器的工作原理與整流器大致相同铅坚，因此逆變器輸入直流中點
對電機中心點的電壓mN E 波形與mG V 波形大致相同赃夷，只是mN E 的變化頻率為變頻器輸
出頻率的三倍，會隨著變頻器輸出頻率的變化而變化兰斑。由于mG mG mN NG V = E = E +V 笤卡，
所以共模電壓NG mG mN V = V − E 。由于輸出頻率一般不等于電網(wǎng)頻率修暑，且不斷變化询时，因
此mG V 和mN E 的組合可以導致共模電壓在某一時刻會達到最大值。由于mG V 和mN E 的最
大值都可以達到額定相電壓峰值的50%奥唯，所以共模電壓最大可接近相電壓的峰值捷夜，如
果電源的中心點接地，電機的機殼也接地商贾，這樣共模電壓就施加到電機定子繞組的中
心點和機殼之間非震。這樣高的共模電壓使電機繞組承受的絕緣應力為電網(wǎng)直接運行情況
下的2 倍，嚴重影響電機絕緣消玄。圖46 顯示了一輸出電壓為4160V 的GTO 電流源型變頻
器的共模電壓波形跟伏。
圖46 GTO 電流源型變頻器的共模電壓
當沒有輸入變壓器時丢胚，共模電壓會直接施加到電機上翩瓜，增加繞組對地的電應力，
引起絕緣擊穿携龟，影響電機的使用壽命兔跌。如果設置輸入變壓器(變壓器二次側(cè)中點不能接
地)，則共模電壓由輸入變壓器和電機共同來承擔峡蟋，按照輸入變壓器原副邊繞組間的分
布電容和電機繞組對機殼間的分布電容(二個容抗串聯(lián))進行分配坟桅。由于一般輸入變壓
器的分布電容大大小于電機繞組對機殼的分布電容(比如前者為后者的1/10)，這樣約
90%的共模電壓由輸入變壓器來承擔蕊蝗，只要考慮加強輸入變壓器的絕緣即可仅乓，而變壓器
的絕緣加強相對電機要容易得多。如果沒有輸入變壓器蓬戚，則電機絕緣必須加強夸楣，以承
受共模電壓。比如4160V 額定電壓的電機要求采用10KV 的絕緣設計如麦，不能使用標準的
異步電機忱确。MGI 允許6KV 電機可以承受的共模電壓范圍為：基波相電壓峰值和共模電
壓峰值之和不超過8.7KV。
PWM 變頻器的共模電壓中含有與開關(guān)頻率相對應的高頻分量，高頻的電壓分量會
通過輸出電纜和電機的分布電容產(chǎn)生對地高頻漏電流唐耿，影響逆變器功率電路的安全犹蝇。
電機通過地產(chǎn)生的高頻漏電流一部分是通過電定子繞組經(jīng)定子繞組和機殼間的分布電
容，再經(jīng)機殼流入地囤嗡，另一部分是通過繞組和轉(zhuǎn)子間的分布電容昵斤，經(jīng)過軸承再到機
殼，然后到地缤滑。后者的作用相當于軸電流唾莲，會引起電機軸承的“電蝕”，影響軸承的
壽命瘸卦。
4.2.4 電機設計和輸出電纜選擇方面的特殊問題
由于變頻器輸出諧波會引起電機附加溫升瘩此，電機容量必須適當放大，熱參數(shù)降低
使用柳锣。設計時愧理，在可能的條件下，盡量減少定折柠，轉(zhuǎn)子電阻宾娜，以降低損耗。尤其是轉(zhuǎn)子
電阻的減少扇售，很有必要前塔，因為轉(zhuǎn)子銅耗在高次諧波所產(chǎn)生的損耗中占相當?shù)谋壤?br />
且采用變頻運行后承冰，已經(jīng)不需要通過較大的轉(zhuǎn)子電阻去獲得足夠的起動轉(zhuǎn)矩华弓。對于目
前應用廣泛的電壓源型變頻器，為了抑制電流中的高次諧波困乒，適當增加電機的電感是
必要的寂屏。設計時還應當考慮到高次諧波和低頻時電壓補償作用產(chǎn)生的磁路飽和加深，
加大磁路設計裕量娜搂。普通電機采用自帶風扇的冷卻方式迁霎，在轉(zhuǎn)速降低時，冷卻風量跟
著降低百宇，散熱效果下降考廉。對于風機，水泵等運行頻率不低水搀，且轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速基本呈平方
關(guān)系下降的負載涛帐，由于在轉(zhuǎn)速下降時負載電流跟著大大下降，發(fā)熱下降衣剂，基本沒有什
么問題缘赋。但對于運行頻率較低，且低速時力矩較大的應用場合，應考慮電機強迫通
風誓胆，比如采用獨立電源供電的冷卻風機竣楼，或者水冷，甚至電機降額使用庸飘。諧波使電機
振動亲堂，噪聲增加，電機應采取低噪聲設計并避免可能產(chǎn)生的振動瞒帜，臨界轉(zhuǎn)速必須避開
整個工作轉(zhuǎn)速范圍假棉。轉(zhuǎn)矩脈動產(chǎn)生的應力集中可能對電機部件引起損壞，電機關(guān)鍵部
位必須加強征绸。采取絕緣軸承久橙，在必要時軸上安裝接地碳刷以避免軸電流對軸承的損
壞。
由于普通變頻器輸出波形中含有高次諧波成分管怠，因集膚效應而使線路等效電阻增
加淆衷，同時，在逆變器輸出低頻時渤弛，輸出電壓跟著降低祝拯，線路壓降占輸出電壓的相對比
例增加，因此輸出電纜的截面積應當比普通接線時放大一級她肯。
電流源型變頻器由于存在輸出諧波和共模電壓對電機的影響等問題佳头，電機需降額
使用和加強絕緣，且存在轉(zhuǎn)矩脈動問題晴氨，使其應用受到限制康嘉。三電平電壓源型變頻器
存在輸出諧波和dv/dt 等問題，一般要設置輸出濾波器瑞筐，否則必須使用專用電機凄鼻。對
風機和水泵等一般不要求四象限運行的設備，單元串聯(lián)多電平PWM 電壓源型變頻器在
輸出諧波聚假，dv/dt 等方面有明顯的優(yōu)勢，對電機沒有特殊的要求僚尚，可用于任何普通的
異步電機骂妻，且不必降額使用，具有較大的應用前景原堂。
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