高壓電壓源與電流源變頻器性能對(duì)比的討論

　　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(kāi)來(lái)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(biāo)準(zhǔn)也是這種稱呼。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?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］）

　?。?） 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。

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

　?。?） 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。

　?。?） 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，它有兩種類型，類型i能同時(shí)減少相—相間和相—地間的電壓應(yīng)力；而類型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。

　?。?） 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(guó)內(nèi)市場(chǎng)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(gè)csi方案，國(guó)內(nèi)新出現(xiàn)一書(shū)［7］，對(duì)此論述最多，這個(gè)方案在技術(shù)原理上有特點(diǎn)，為了搞清楚他的內(nèi)在實(shí)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(qiáng)迫換流，還有驅(qū)動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)采用負(fù)載換流，由于當(dāng)今市面上應(yīng)用很少，這里對(duì)線路原理不再介紹，下面只討論他的外部特性。在科技書(shū)籍里介紹csi特點(diǎn)次數(shù)多的當(dāng)推文獻(xiàn)［4］，csi的主要特點(diǎn)如下：

　?。?） 中間直流電流基本無(wú)脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)高阻抗；

　?。?） 交流側(cè)輸出電流為矩形波，與負(fù)載阻抗角無(wú)關(guān)；

　?。?） 交流側(cè)輸出電壓波形和相位決定于負(fù)載阻抗；

　?。?）當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無(wú)功功率，為反饋無(wú)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(kāi)關(guān)器件反并二極管，直流側(cè)電感可以貯存與釋放無(wú)功能量；

　?。?） 同理，有功能量通過(guò)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；

　?。?） 對(duì)觸發(fā)信號(hào)的要求：對(duì)直流鏈總是要求有電流流通路徑而不能開(kāi)路，對(duì)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?yàn)橹绷鱾?cè)有一個(gè)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(fù)載阻抗？這是因?yàn)関=iz，這個(gè)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(fù)載感抗，可以分解為基波和特征諧波。交流電流側(cè)的負(fù)載為電動(dòng)機(jī)，其負(fù)載特性為阻感負(fù)載，對(duì)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(duì)各次諧波而言，相當(dāng)于一個(gè)很大的電源內(nèi)抗，在這個(gè)大電感上會(huì)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(guò)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(huì)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(qiáng)，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(duì)電動(dòng)機(jī)威協(xié)嚴(yán)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(guò)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