高压变频器应用分析

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1、高压变频器应用分析1引言近年来，各种高压变频器不断出现，高压变频器到目前为止还没有像低压变频器那样近乎统一的拓扑结构。根据高电压组成方式可分为直接高压型和高低高型;根据有无中间直流环节可以分为交-交变频器和交-直-交变频器;在交直交变频器中，按中间直流滤波环节的不同，可分为电压源型和电流源型。直接高压交-直-交变频器直接输出高压，无需输出变压，效率高，输出频率不受限制，应用较为广泛。评价高压变频器的指标主要有:成本、可靠性、对电网的谐波污染、输入功率因数、输出谐波、dv/dt、共模电压、系统效率、能否四象限运行等。本文

2、主要从使用高压变频器后对电网的谐波污染、功率因数等方面讨论高压变频器对电网的影响，并从高压变频器的输出谐波、dv/dt、共模电压等方面讨论高压变频器对电机的影响。变频器对电网的影响主要取决于变频器整流电路的结构和特性。高压变频器输出对电机的影响主要取决于逆变电路的结构和特性。美国的NEMA标准中对电机谐波发热、dv/dt等方面的相应规定，具体规定是在MGI-1993的第30节。2高压变频器对电网的谐波污染近年来，高压变频器的应用越来越广泛，由于高压变频器相对来说容量较大，占整个电网容量的比重较为显著，所以高压变频器对电

3、网的谐波污染问题已经不容忽视。许多场合由于采用了输入谐波电流较高的变频器，产生了严重的谐波污染问题。从本质上而言，任何高压变频器或多或少会产生输入谐波电流，只是程度不同而已。解决谐波污染的办法有二种:一是采取谐波滤波器，对高压变频器产生的谐波进行治理，以达到供电部门的要求，也即通常所说的“先污染，后治理”的办法;二是采用产生谐波电流小的变频器，变频器本身基本上不对电网造成谐波污染，即所谓的“绿色”电力电子产品，从本质上解决谐波污染问题。国际上对电网谐波污染控制的标准中，应用较为普遍的是IEEE519-1992，我国也有

4、相应的谐波控制标准。图16脉冲晶闸管整流电路图1示出了一种常见的6脉冲晶闸管整流电路结构，主要用于各种电流源型变频器。这种整流电路结构简单，但是输入电流中含有很高的谐波分量，输入电流的5次谐波可达20％，7次谐波可达12％(图2)。由于晶闸管的快速换相会产生一定的高次谐波，可达35次以上，高次谐波会对通信线路产生一定的干扰。这种整流电路总的谐波电流失真约为30％，由于输入谐波较高，一般要设置输入谐波滤波器，滤波器的设计与电网参数和负载工况都有关系，一旦参数和工况发生变化，滤波器又得重新调整，十分不便，且影响滤波效果。但

5、此方案较为经济，一般适用于变频器占电网负荷较小比例下安装。12脉冲晶闸管整流电路，整流器由两组晶闸管整流桥串联而成, 分别由输入变压器的两组副边(星型和三角形，互差30°电角度)供电。这种整流电路的优点是把整流电路的脉冲数由6脉冲提高到12脉冲, 带来的好处是大大降低了5次和7次谐波电流。因为对晶闸管整流电路而言, 谐波电流近似为基波电流的1/h倍, h为谐波次数，h=n×p±1, 其中n是自然数, p为脉冲数。12脉冲整流结构总谐波电流失真约为10％左右(图2)。虽然12脉冲整流电路的谐波电流比6脉冲结构大大下降, 

6、但也不能达到IEEE519-1992标准规定的在电网短路电流小于20倍负载电流时谐波电流失真小于5％的要求。因此, 一般也要安装谐波滤波装置。采用12脉冲结构还能避免器件的直接串联，变压器也可承受变频器产生的共模电压中的绝大部分, 使电机绝缘不受共模电压的影响。当然, 变压器也要设计成为能够承受原边和副边的谐波电流。图3显示了18脉冲晶闸管整流电路结构，电路由三组晶闸管整流串联而成，变压器三组副边均为三角形，互差20°电角度。这个整流电路具有12脉冲结构的优点，但其总谐波电流失真小于5.6%，总谐波电压失真小于2%，基

7、本符合IEEE519-1992标准规定，无需安装谐波滤波装置。晶闸管直流整流电路和二极管整流电路除了6脉冲结构和12脉冲结构外，还可以采取更高脉冲数的结构，如18脉冲，24脉冲，输入谐波也会随着降低，但会导致系统结构复杂，成本增加。目前，大多数PWM电压源型变频器都采用二极管整流电路，如果整流电路采取全控型电力电子器件的PWM(高压时一般采用三电平PWM结构)控制，其结构与逆变部分基本对称，则可以做到输入电流基本为正弦波，谐波成分很低，功率因数可调，且能量可双向流动。当然系统的复杂和成本也大大增加了。这种双PWM结构的

8、三电平高压变频器预计在轧机，卷扬机等要求四象限运行和较高动态性能的场合，会取代传统的交交变频器。图3 18脉冲晶闸管整流电路3  高压变频器的输入功率因数        在晶闸管电流源型整流电路中，中间直流环节的电压正比于电机线电压额定值乘以运行点电机实际的功率因数，再乘以转速百分比。所以，对于风机水泵等平方转矩负载，直流环节电压