電壓源逆變器與電流源逆變器性能對比

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為電壓源型變頻器。如果分開來稱呼，則其后端逆變器部分叫電壓源逆變器(vsi)，產(chǎn)品gb和iec標準也是這種稱呼。其前端整流部分對電網(wǎng)而言是一個諧波源，也就叫電壓型諧波源。與此相對照，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是因為他們的交流輸入電流波形和變頻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，也就是說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機(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，電動機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，但對電機仍有一定的負作用。變頻器輸出的諧波成分以諧波電壓危害嚴重，表現(xiàn)為電壓峰值和電壓上升率dv/dt，它威脅著電機的相間絕緣、對地絕緣和匝間絕緣，主要是電機進線處的頭幾匝，對高壓電動機這個問題更為突出，這在文獻[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。

2.2 pwm調(diào)制波電壓輸出

這是現(xiàn)今最大量變頻器(無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，但每單個調(diào)制波的dv/dt更大了，這是因為調(diào)制頻率達到上千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，加到電機端上的電壓峰值也更高(不超過直流中間電壓的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，還更嚴重。此外還有許多對電機不利的影響如軸電流等。

2.3 對策

欲減少變頻器輸出中含有的浪涌的嚴重程度，在一定的條件下，可采取對策(連同其效果)如下：(詳見iec標準[1])

(1) 改變電動機電纜的長度和將電纜接地，這將改變電動機端上的浪涌幅值，雖然此措施常常是困難的或不實際的。

(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)問題，可對接地配置加以改變。

(4) 裝設(shè)輸出電抗器，可增加峰值上升時間，它和電纜電容的聯(lián)合作用將減少行波峰值電壓。此時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間。采用此措施可增加電纜長度。

(6)裝設(shè)輸出正弦波濾波器，可增加峰值上升時間。采用此方案的可能性決定于對象所要求的特性，特別是調(diào)速范圍與動態(tài)性能，它有兩種類型，類型i能同時減少相—相間和相—地間的電壓應(yīng)力;而類型⒅荒薌跎儐—相間電壓應(yīng)力。此外這種濾波器可減少emc干擾和電動機的附加損耗和噪音，而且用了類型i濾波器后就可以采用標準的非屏蔽電纜。

(7) 在電動機端附近裝設(shè)終端單元可抑制電動機端口的過電壓。

(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。

3 電流源逆變器(csi)

國內(nèi)市場上出現(xiàn)的產(chǎn)品中只有ab公司的高壓變頻器，其他品牌的高壓變頻器以及全部低壓變頻器都不用這個csi方案，國內(nèi)新出現(xiàn)一書[7]，對此論述最多，這個方案在技術(shù)原理上有特點，為了搞清楚他的內(nèi)在實質(zhì)，不妨探討一番，以便于和電壓源逆變器的性能比較。

csi的構(gòu)造不同就是在整流后的中間直流環(huán)節(jié)用大電感平波，因而直流電流比較穩(wěn)定，所以叫電流源型(但不是恒流)。

3.1 矩形波電流輸出

最早出現(xiàn)的線路方案是采用晶閘管的串聯(lián)二極管式即采用強迫換流，還有驅(qū)動同步電動機采用負載換流，由于當今市面上應(yīng)用很少，這里對線路原理不再介紹，下面只討論他的外部特性。在科技書籍里介紹csi特點次數(shù)多的當推文獻[4]，csi的主要特點如下：

(1) 中間直流電流基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)高阻抗;

(2) 交流側(cè)輸出電流為矩形波，與負載阻抗角無關(guān);

(3) 交流側(cè)輸出電壓波形和相位決定于負載阻抗;

(4)當交流側(cè)為阻感負載時需要提供無功功率，為反饋無功能量，電流并不反向，因此不必像電壓型逆變器一樣要給開關(guān)器件反并二極管，直流側(cè)電感可以貯存與釋放無功能量;

(5) 同理，有功能量通過可控晶閘管橋可以反饋回交流電網(wǎng)，不要另設(shè)一套反饋到電網(wǎng)用逆變橋電路;

(6) 對觸發(fā)信號的要求：對直流鏈總是要求有電流流通路徑而不能開路，對交流側(cè)不能有短路路徑。

為什么輸出交流電流為矩形波?因為直流側(cè)有一個大電感，可以穩(wěn)定直流電流(但不是恒流)。為什么輸出交流電壓波形決定于負載阻抗?這是因為v=iz，這個式中的i是正向、反向都是120°寬的矩形波，(也可能是120°寬的凸字形波)z為負載感抗，可以分解為基波和特征諧波。交流電流側(cè)的負載為電動機，其負載特性為阻感負載，對各次諧波而言，諧波感抗是基波感抗的h倍，h是特征諧波次數(shù)例如5、7等等，但是要注意，直流側(cè)的大電感對各次諧波而言，相當于一個很大的電源內(nèi)抗，在這個大電感上會有很大的諧波電壓降，結(jié)果，輸出的交流電壓波形雖不是正弦波，但也決不是矩形波，比較接近于正弦波，其原因應(yīng)該是直流大電感上削去了大部分的諧波電壓。

3.2 pwm調(diào)制波輸出

被調(diào)制波的基波電流波形，由于是電流源所以為矩形波，經(jīng)過pwm調(diào)制后，電流波形的包絡(luò)線已初步接近正弦波，但免不了仍然有由調(diào)制頻率而產(chǎn)生的高頻電流波，他也會被中間直流環(huán)節(jié)的大電感所抑制，由于頻率高，受到的抑制作用更強，所以交流輸出不論是電流波還是電壓波都是接近正弦波，基本理由應(yīng)該是大電感抑制特征諧波成分和高頻成分的結(jié)果。

在高壓變頻器中，對電動機威協(xié)嚴重的除了輸出電壓幅值外主要是輸出交流電壓中的dv/dt，此高值的dv/dt，其本質(zhì)就是高頻電壓成分，同上面分析的道理一樣，由于直流大電感的抑制作用，使dv/dt值大為縮小。

3.3 輸出、輸入端電容的濾波作用

電流源逆變器脈寬調(diào)制(csi-pwm)輸出端都有一組并聯(lián)的電容器，此電容是為了在換流過程中提供電流通路而設(shè)(因直流回路電感量很大，電流不能關(guān)斷而宜另找通路)，此旁路電容對電流的諧波和高頻成分阻抗分別較小和更小，(同時并聯(lián)電容也流過不大的基波成分)因而同時也起了一定的濾波作用，使流向電動機的電流更靠近正弦波。同理，交流電源輸入端也需要一組并聯(lián)電容器，但它容易和電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的電感產(chǎn)生lc串聯(lián)諧振，為了避免揩振，產(chǎn)品廠家必須采抑制措施，文獻[7]介紹了低損耗的有源阻尼方案。

4 變頻器電網(wǎng)側(cè)的諧波電流

此諧波電流與逆變電路無關(guān)，只決定于變頻器前面輸入整流部分的電路與中間直流是用電容還是電感平波下面不討論pwm整流，pwm整流有很好的性能，可四象限運行，高cosφ，低諧波，但有高頻騷擾輸?shù)诫娋W(wǎng)(與調(diào)制頻率有關(guān))，主要問題是價格較高。這里只討論常用三相或多相整流裝置向電網(wǎng)輸出的諧波。

4.1 電壓源變頻器的諧波

中間直流環(huán)節(jié)用大電容平波，只能穩(wěn)定直流電壓，此大電容對變動的輸入?yún)s是低阻抗，因而輸入電流有很大的諧波成分，iec標準[5]對此諧波分量已有數(shù)據(jù)列成表格如附表所示。

從附表中可以看出下面幾個特點：

(1)諧波是特征諧波，只和整流脈動數(shù)有關(guān)，例如三相對稱橋整流，則為6脈動，最低諧波次數(shù)為5次，如果為18脈動，則最低諧波次數(shù)為17次(理論上沒有5、7、11、13等低次諧波)，所以大功率整流多采用多相整流，即變壓器有多個付繞組，彼此的相角有移位，而且諧波次數(shù)愈高，諧波相對值愈小。

(2)各次諧波量的大小與變頻器輸入端的系統(tǒng)短路容量大小成正相關(guān)關(guān)系，短路容量愈小，諧波量愈小，所以在變頻器輸入端之前要求串入一臺相對電抗值x%為4%的輸入電抗器，對低壓變頻器而言，制造廠一般都成套提供。對高壓變頻器而言，這個道理是一樣的，附表的數(shù)值也是適用的。x%不能太大也不能太小。

(3) 和下面的電流型變頻器相比，電壓源變頻器在同等條件下的諧波電流要大很多，對這一點，下面第4.3節(jié)再作對比分析。

4.2 電流源變頻器的諧波

中間直流環(huán)節(jié)用大電感，對變動的電流而言，是一個很大的內(nèi)抗，因而變頻器輸入電流中的諧波成分相對較少，它有以下特性：?

(1) ih/i1= 1/h

上式中：i1-基波電流，由負載大小決定;ih-特征諧波中的第h次的諧波電流。

可見，諧波次數(shù)h愈高，其電流愈小，與h成反比，例如5次諧波只有基波電流的20%。

(2) 同電壓型諧波源的第(1)點一樣，諧波也是 特征諧波，如果采用多相整流例如18脈動，最低諧波次數(shù)為17次，沒有13次以下的諧波。

(3) 變頻器輸入端短路容量減少時，諧波電流略有減少，但變化不大。

4.3 電壓源與電流源諧波的比較

從上面分析可知對普通整流而言，二者的諧波都是特征諧波，通過多相整流，可以消除低次的特征諧波，諧波的次數(shù)愈高，其數(shù)值愈小，但對同一次諧波而言，電壓源的諧波電流要大得多，以5次諧波為例，電流源的諧波相對值為1/5約為0.2，而電壓源的諧波電流值為0.3，而且這是有條件的：rsc=20，即在變頻器輸入端之前需要串有一個輸入電抗器，其相對電抗值加上電源系統(tǒng)的電抗(主要是變壓器電抗)要等于5%。電流源變頻器之前則并不需要為限制特征諧波而設(shè)置輸入電抗器。

5 變頻器輸出電流動態(tài)性能比較

某些意見認為電流源變頻器輸出電流的快速性好，筆者不認同此結(jié)論，它的快速性肯定不如電壓源變頻器，理由如下：如果要瞬時增加輸出電流：

(1) 改變逆變側(cè)pwm的調(diào)制規(guī)律，提高直流電壓利用率，如果輸出是方塊波，則已無能為力;

(2) 從輸入交流側(cè)提高中間的直流電壓值例如當輸入側(cè)整流橋使用的是可控或半可控器件(晶閘管)時。

但即使這兩個措施同時采用，由于中間直流環(huán)節(jié)中有一個很大的電抗器，電流的上升速度就受到很大的抑制，電壓源變頻器則剛好相反，中間并聯(lián)的大電容是一個低阻抗，無論是接受電網(wǎng)來的能量，或輸出能量給逆變器和電機，它幾乎沒有阻礙作用，只要有控制措施，就能快速響應(yīng)。

基于這樣的分析，電流源變頻器不適宜于動態(tài)性能要求很高的機械，例如軋鋼機、提升機等，但電流上升率較低也有好處，就是萬一發(fā)生短路，電子式過流保護易于湊效，電流上升率低這一固有性能、可以充分恰當?shù)丶右岳谩?

6 綜合性能比較

當前，電壓源變頻器在低壓產(chǎn)品方面是壓倒性的主流，在1kv以上高壓產(chǎn)品方面也是主流，這是不爭的事實，預(yù)計將來的局面也不會改變，這是因為電壓源變頻器的性能通用性強，適用于各種不同要求的負載，設(shè)計、生產(chǎn)技術(shù)也比較成熟，一般廠家都能掌握，但是高壓變頻器產(chǎn)品尚在發(fā)展中，當前尚存的主要問題包括：高電壓大電流的全關(guān)斷電力電子器件有待發(fā)展，電動機耐受高dv/dt的能力有限，因而三電平或多電平電壓源高壓變頻器是一個現(xiàn)實的可行方案，為了得到既可靠又經(jīng)濟的三電平或多電平方案，不同的拓撲結(jié)構(gòu)尚在研發(fā)中。

電流源變頻器不適用于負荷快速度化的負載，他的優(yōu)點是兩電平方案有不危害電機的dv/dt輸出，如果將來高電壓大電流的全關(guān)斷器件能以不太高的價格大量出現(xiàn)，則他的發(fā)展勢頭有可能加大。