電壓源逆變器與電流源逆變器性能對(duì)比

　　1 引言

　　交-直-交變頻器的中間直流環(huán)節(jié)如果是用大電容平波通常稱(chēng)為電壓源型變頻器。如果分開(kāi)來(lái)稱(chēng)呼，則其后端逆變器部分叫電壓源逆變器(vsi)，產(chǎn)品gb和iec標(biāo)準(zhǔn)也是這種稱(chēng)呼。其前端整流部分對(duì)電網(wǎng)而言是一個(gè)諧波源，也就叫電壓型諧波源。與此相對(duì)照，交—直—交變頻器的中間直流環(huán)節(jié)如果用大電感平波就分別稱(chēng)為電流源型變頻器、電流源逆變器(csi)、電流源型諧波源。之所以要特別區(qū)分變頻器為電壓源和電流源兩大類(lèi)是因?yàn)樗麄兊慕涣鬏斎腚娏鞑ㄐ魏妥冾l后輸出的交流電壓和交流電流的波形及性能都有很大的不同。

　　2 電壓源逆變器(vsi)

　　國(guó)內(nèi)應(yīng)用的低壓變頻器幾乎全是電壓源型，中間直流是用電容平波，直流電壓比較穩(wěn)定，它的逆變器輸出的電壓波形決定于逆變器的控制和調(diào)制方式，大體上可分為兩類(lèi)電壓波形。?

　　2.1 矩形波電壓輸出

　　如果輸出是雙重的，也可以是“凸”字形電壓波，總之離正弦形相去較遠(yuǎn)，也就是說(shuō)電壓波形中除了基波外，還有許多諧波電壓，至于在這種電壓波形下產(chǎn)生的電流則決定于電動(dòng)機(jī)(還串有一段支線電纜)的阻抗(基波阻抗和諧波阻抗)，輸出的基波電壓分量/基波阻抗可得到基波電流，輸出的諧波電壓分量/諧波阻抗可得到諧波電流，電動(dòng)機(jī)的基波阻抗是感性的，因而其諧波感抗xh為基波感抗x1的h倍(h為各次諧波的諧波次數(shù))，矩形波電壓的諧波電壓分量為基波分量的1/h，因此，輸出矩形波電壓，得到的各次諧波電流為，以5次諧波電流為例約為基波電流的1/25=4%，7次為1/49≈2%，雖然諧波電流成分不大，但對(duì)電機(jī)仍有一定的負(fù)作用。變頻器輸出的諧波成分以諧波電壓危害嚴(yán)重，表現(xiàn)為電壓峰值和電壓上升率dv/dt，它威脅著電機(jī)的相間絕緣、對(duì)地絕緣和匝間絕緣，主要是電機(jī)進(jìn)線處的頭幾匝，對(duì)高壓電動(dòng)機(jī)這個(gè)問(wèn)題更為突出，這在文獻(xiàn)[1]中已有論述。

　　矩形波或“凸”字形波電壓輸出的變頻器現(xiàn)已少見(jiàn)。

　　2.2 pwm調(diào)制波電壓輸出

　　這是現(xiàn)今最大量變頻器(無(wú)論是低壓或高壓變頻器)的輸出電壓波形，由于采用了正弦調(diào)制spwm，或其他更好的調(diào)制方式，使輸出電壓波形接近正弦波，這是指調(diào)制波的包絡(luò)線而言的，但每單個(gè)調(diào)制波的dv/dt更大了，這是因?yàn)檎{(diào)制頻率達(dá)到上千hz，為減少電力電子器件的損耗和發(fā)熱，采用的是高速通斷器件。不但每次的dv/dt更大，而且是反復(fù)加上dv/dt。由于行波現(xiàn)象，加到電機(jī)端上的電壓峰值也更高(不超過(guò)直流中間電壓的2倍)。至于輸出的電流波形和上一節(jié)輸出的矩形波電流相比，則諧波電流分量更小，電流波形相對(duì)更接近正弦波，這也就是為什么要采用pwm調(diào)制的理由。但du/dt和電壓峰值的威脅仍然存在，還更嚴(yán)重。此外還有許多對(duì)電機(jī)不利的影響如軸電流等。

　　2.3 對(duì)策

　　欲減少變頻器輸出中含有的浪涌的嚴(yán)重程度，在一定的條件下，可采取對(duì)策(連同其效果)如下：(詳見(jiàn)iec標(biāo)準(zhǔn)[1])

　　(1) 改變電動(dòng)機(jī)電纜的長(zhǎng)度和將電纜接地，這將改變電動(dòng)機(jī)端上的浪涌幅值，雖然此措施常常是困難的或不實(shí)際的。

　　(2)采用有較高介質(zhì)損耗的電纜(例如丁基橡膠或油紙絕緣)。采用鐵材屏蔽的特種電纜也行。這些辦法將減少振蕩并改善電磁兼容(emc)性能。

　　(3) 如果相—地之間出現(xiàn)問(wèn)題，可對(duì)接地配置加以改變。

　　(4) 裝設(shè)輸出電抗器，可增加峰值上升時(shí)間，它和電纜電容的聯(lián)合作用將減少行波峰值電壓。此時(shí)要考慮增加了電抗上的電壓降。

　　(5) 裝設(shè)輸出dv/dt濾波器，可顯著增加峰值上升時(shí)間。采用此措施可增加電纜長(zhǎng)度。

　　(6)裝設(shè)輸出正弦波濾波器，可增加峰值上升時(shí)間。采用此方案的可能性決定于對(duì)象所要求的特性，特別是調(diào)速范圍與動(dòng)態(tài)性能，它有兩種類(lèi)型，類(lèi)型i能同時(shí)減少相—相間和相—地間的電壓應(yīng)力;而類(lèi)型ⅱ只能減少相—相間電壓應(yīng)力。此外這種濾波器可減少emc干擾和電動(dòng)機(jī)的附加損耗和噪音，而且用了類(lèi)型i濾波器后就可以采用標(biāo)準(zhǔn)的非屏蔽電纜。

　　(7) 在電動(dòng)機(jī)端附近裝設(shè)終端單元可抑制電動(dòng)機(jī)端口的過(guò)電壓。

　　(8) 降低每步脈沖的電壓幅度，例如采用三電平或多電平變流器。