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1、第第5章章 高（中）压变频器高（中）压变频器 5.1 5.1 高（中）压变频器概述高（中）压变频器概述 5.1.1 5.1.1 高（中）压变频器的分类高（中）压变频器的分类 高（中）压变频器按主电路的结构方式分为交高（中）压变频器按主电路的结构方式分为交- -交方式和交交方式和交- -直直- -交方式。交方式。 5.1.2 高（中）压变频调速系统的基本形式高（中）压变频调速系统的基本形式 （1）直接高）直接高-高型高型 直直接接高高-高高型型（也也有有的的称称为为直直接接中中-中中型型）变变频频调调速速系系统统的的电电路路结结构构如如图图5-2所所示。示。 图图5-2 直接高直接高-高型变频调
2、速系统高型变频调速系统1基础教学 （2 2）高）高- -中型中型 高高- -中型变频调速系统的电路结构如图中型变频调速系统的电路结构如图5-35-3所示。所示。 图图5-3 5-3 高高- -中型变频调速系统中型变频调速系统 （3 3）高）高- -低低- -高型高型 高高- -低低- -高高型型（有有的的也也称称为为中中- -低低- -中中型型）变变频频调调速速系系统统的的电电路路结结构构如如图图5-45-4所示。所示。 图图5-4 5-4 高高- -低低- -高型变频调速系统高型变频调速系统2基础教学5.1.3 5.1.3 高（中）压变频器的应用高（中）压变频器的应用 1 1拖动风机或水泵拖
3、动风机或水泵 2 2压缩机、鼓风机、轧机或其它工作机械压缩机、鼓风机、轧机或其它工作机械 (1) (1) 可精确地调节速度或流量，保证工艺质量。可精确地调节速度或流量，保证工艺质量。 (2) (2) 可可直直接接与与工工作作机机械械耦耦合合，省省去去减减速速机机等等中中间间机机械械环环节，减少投资和中间费用。节，减少投资和中间费用。 (3) (3) 可可接接受受计计算算机机或或PLCPLC的的模模拟拟或或数数字字信信号号，进进行行实实时时控控制，且控制性能优越。制，且控制性能优越。 3 3要求起动性能好的机械要求起动性能好的机械 实实现现“软软”起起动动。电电机机速速度度从从零零开开始始起起动
4、动：可可使使电电机机电电流流限限制制在在规规定定值值以以下下(一一般般在在额额定定电电流流的的1.52倍倍以以内内)，以以选选定定的的加加速速度度平平稳稳升速，直到指定速度。升速，直到指定速度。 3基础教学5.1.4 5.1.4 高（中）高（中）压变频器的技器的技术要求要求 1. 1. 可靠性要求高可靠性要求高 2. 2. 对电网的电压波动容忍度大对电网的电压波动容忍度大 3. 3. 降低谐波对电网的影响降低谐波对电网的影响 4. 4. 改善功率因数改善功率因数 5. 5. 抑制输出谐波成分抑制输出谐波成分 6. 6. 抑制共模电压和抑制共模电压和d du ud dt t的影响的影响 4基础教
5、学5.2 5.2 高（中）压变频器的主电路结构高（中）压变频器的主电路结构 5.2.1 晶闸管电流型变频器 图图5-5 5-5 晶闸管电流型变频器的主电路晶闸管电流型变频器的主电路 5基础教学 晶闸管电流型变频器采用晶闸管三相桥式整流电路将交流变为直流，然后再经晶闸管三相桥式逆变电路将直流变为频率可调的交流，将其输出以控制电机运行和调速。由于在它的直流母线上串联有平波电抗器，因此该变频器称为电流型变频器。6基础教学5.2.2 GTO电流型变频器 GTO电流型变频器的主电路如图5-6所示。 图5-6 GTO电流型变频器的主电路7基础教学 图5-6电路中，变压器二次绕组采用Y和不同联结组别，是为为
6、了了获获得得互互差差60的的六六相相电电压压，既既可可以以减减少少整整流流后后的的电电压压纹纹波波，也也可可以以降降低低电电网网的的谐谐波波。整流部分采用SCR器件，逆变部分采用了可关断晶闸管GTO，开关频率为180Hz。电路可以说是电流源和PWM技术的结合(简称“CSI-PWM技术”)。由于采用脉宽调制方式，输出谐波降低，滤波器可大大减小，但不能省去。实际使用中常加电容滤波器，为防止电容与电动机的电感在换向过程中产生谐振，其数值需仔细选择。8基础教学5.2.3 1GBT并联多重化PWM电压型变频器图5-7所示为并联多重化PWM电压型变频器电路图。 图5-7 并联多重化PWM电压型变频器主电路
7、9基础教学 图5-7 采用二极管构成二组三相桥式整流电路，按12脉波组态，输出为二重式，每组由六个IGBT构成一个桥式逆变单元。输出滤波器用来去除PWM的调制波中的高频成分并减少dudt、didt的影响，由于频率高，滤波器的体积很小。10基础教学5.2.4 三电平高（中）压变频器 IGBT三电平高压变频器的主电路如图5-8所示。图5-8 IGBT三电平高（中）压变频器的主电路 11基础教学 图5-8中，变频器的整流部分由两个三相桥电路串联，输出12脉波的直流电压，大大减少了电网侧的谐波成分。同时，直流侧采用两个相同的电解电容串联滤波，在中间的连接处引出一条线与逆变电路中的钳位二极管相接，若将该
8、节点视为参考点（电压为零），则加到逆变器的电平有三个：Ud、0、-Ud。所以逆变器部分是由IGBT和箝位二极管组成的三电平电压型逆变器。12基础教学 13基础教学 图5-10所示为三电平变频器输出相电压、相电流波形。图中阶梯形PWM波为电压波形，近似正弦波为电流波形(Ud为峰值电压)。这种变频器输出的线电压有5个电平，输出谐波小，du/dt小，使电动机电流波形的失真度从17%降低为2%左右。 图5-10 三电平变频器输出电压、电流波形14基础教学5.2.5 五电平高（中）压变频器 图5-11为五电平逆变器主电路，其工作原理与三电平逆变器相似. 图5-11 五电平逆变器主电路 15基础教学 这种
9、结构的优点是：在器件耐压相同的条件下，能输出更高的交流电压，适合制造更高电压等级的变频器。缺点是：用单个逆变器难以控制有功功率传递，存在电容电压均压问题。 16基础教学5.2.6 IGBT5.2.6 IGBT功率单元多级串联电压型变频器功率单元多级串联电压型变频器 图图5-13 5-13 山东风光山东风光JD-BP37JD-BP37系列高压变频器的系统结构系列高压变频器的系统结构 17基础教学 多级串联高（中）压变频器采用多级小功率低电压IGBT的PWM变频单元，分别进行整流、滤波、逆变，将其串联叠加起来得到高压三相变频输出。例如，对于6kV输出，每相采用6组低压IGBT功率单元，每个功率单元
10、由一体化的输入隔离变压器二次侧绕组分别供电，二次绕组采用延边三角形接法，18个二次绕组分成三个位组，互差20，实现输入多重化接法，可消除各功率单元产生的谐波。电源侧电压畸变率小于1.2，电流畸变率小于0.8，因此变频器对电网污染小。18基础教学53 高压变频器对电动机的影响及防治措施高压变频器对电动机的影响及防治措施 在高压变频器中，对电动机的影响起决定作用的是逆变器的电路结构和控制特性，逆变器主要通过输出谐波、输出电压变化率dudt和共模电压来影响电动机的绝缘和使用寿命，这些因素产生的影响如表5-4所示。 19基础教学5.3.1 输出谐波对电动机的影响及防治措施输出谐波对电动机的影响及防治措
11、施 输出谐波对电动机的影响主要有谐波引输出谐波对电动机的影响主要有谐波引起电动机的温升过高、转矩脉动和噪声增加，起电动机的温升过高、转矩脉动和噪声增加，经常采用的防治措施一般有两种：一是设置经常采用的防治措施一般有两种：一是设置输出滤波器；二是改变逆变器的结构或联接输出滤波器；二是改变逆变器的结构或联接形式，以降低输出谐波。使其作用到电机上形式，以降低输出谐波。使其作用到电机上的输出波形接近正弦波。的输出波形接近正弦波。20基础教学5.3.2 输出电压变化率对电动机的影响及防治措施输出电压变化率对电动机的影响及防治措施 对于电压型变频器，当输出电压的变化率对于电压型变频器，当输出电压的变化率(
12、dudt)比较高时，会加速了电动机绝缘的老化。特别比较高时，会加速了电动机绝缘的老化。特别是当变频器与电动机之间的电缆距离比较长时电是当变频器与电动机之间的电缆距离比较长时电缆上的分布电感和分布电容所产生的行波反射放大缆上的分布电感和分布电容所产生的行波反射放大作用增大到一定程度，有时会击穿电动机的绝缘。作用增大到一定程度，有时会击穿电动机的绝缘。经常采用的防治措施一般有两种：一是设置输出电经常采用的防治措施一般有两种：一是设置输出电压滤波器：二是降低输出电压的变化率。降低输出压滤波器：二是降低输出电压的变化率。降低输出电压变化率的主要方法也有两种：一是降低输出电电压变化率的主要方法也有两种：
13、一是降低输出电压每个台阶的幅值；二是降低逆变器功率器件的开压每个台阶的幅值；二是降低逆变器功率器件的开关速度。在相同额定输出电压的情况下，逆变的输关速度。在相同额定输出电压的情况下，逆变的输出电平数越多，输出电压的变化率就越低，通常是出电平数越多，输出电压的变化率就越低，通常是传统双电平输出电压的变化率的传统双电平输出电压的变化率的1/(m-1)倍，其中倍，其中m是电平数目。是电平数目。 21基础教学5.3.3 共模电压对电动机的影响及防治措施共模电压对电动机的影响及防治措施 电动机定子绕组的中心点和地之间的电压电动机定子绕组的中心点和地之间的电压UN-G称为共模电压称为共模电压(或称零序电压
14、或称零序电压)。 当没有输入变压器时共模电压会直接施加到当没有输入变压器时共模电压会直接施加到电动机上，导致电动机绕组绝缘击穿，影响电动机电动机上，导致电动机绕组绝缘击穿，影响电动机的使用寿命。当共模电压对地产生的高频漏电流经的使用寿命。当共模电压对地产生的高频漏电流经过电动机的轴承入地时，还会出现过电动机的轴承入地时，还会出现“电蚀电蚀”轴承现轴承现象，降低轴承的使用寿命。经常采用的防治措施是象，降低轴承的使用寿命。经常采用的防治措施是设置二次侧中点不接地的输入变压器，由输入变压设置二次侧中点不接地的输入变压器，由输入变压器和电动机共同来承担共模电压。一般情况下，输器和电动机共同来承担共模电
15、压。一般情况下，输入是入是110，那么约有，那么约有90的共模电压由输入变压的共模电压由输入变压器来承担。因此，对于电流型变频器，电动机的绝器来承担。因此，对于电流型变频器，电动机的绝缘一定要足够强，否则容易发生因绝缘被击穿而烧缘一定要足够强，否则容易发生因绝缘被击穿而烧毁输入变压器或电动机的后果。毁输入变压器或电动机的后果。22基础教学本本 章章 小小 结结 高高（中中）压压变变频频器器通通常常指指电电压压等等级级在在1kV1kV以以上上的的大大容容量量变变频频器器。高高（中中）压压变变频频器器按按主主电电路路的的结结构构方方式式分分为为交交- -交方式和交交方式和交- -直直- -交方式。
16、交方式。 高高（中中）压压变变频频调调速速系系统统的的基基本本型型式式有有直直接接高高- -高高型型、高高- -中型和高中型和高- -低低- -高型等三种。高型等三种。 高高（中中）压压变变频频器器的的技技术术要要求求非非常常严严格格，在在制制造造和和应应用时应予以特别关注。用时应予以特别关注。 在在冶冶金金、钢钢铁铁、石石油油、化化工工、水水处处理理等等工工矿矿企企业业中中，大大容容量量的的电电动动机机基基本本上上都都是是中中压压和和高高压压电电动动机机，其其消消耗耗的的能能源源占占电电机机总总能能耗耗的的7070以以上上，而而且且绝绝大大部部分分都都有有调调速速的的要要求求，因因此此，应应用用中中压压和和高高压压变变频频调调速速对对节节能能和和企企业整体效益有着重要意义。业整体效益有着重要意义。23基础教学
