高壓變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)影響

1、高壓變頻技術(shù)東北大學(xué)邊春元2011.8 東北大學(xué)東北大學(xué)內(nèi)容介紹高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響三電平三電平PWMPWM電壓源變頻器原理電壓源變頻器原理三電平三電平PWMPWM整流控制策略整流控制策略PWMPWM整流的基本原理整流的基本原理高壓變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響高壓變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響三電平三電平PWMPWM逆變控制策略逆變控制策略大容量多電平變換器發(fā)展概述大容量多電平變換器發(fā)展概述IGCTIGCT系統(tǒng)現(xiàn)存問題初步探討系統(tǒng)現(xiàn)存問題初步探討功率器件概述功率器件概述 東北大學(xué)東北大學(xué)四、高壓變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響l本講主要從高壓變頻器本講主要從高壓變頻器輸出諧波輸出諧波引起引起諧波發(fā)熱

2、和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、諧波發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、du/dt、共模電壓、噪聲、共模電壓、噪聲等方面討論高壓變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)的等方面討論高壓變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響及解決辦法，以及變頻專用電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。影響及解決辦法，以及變頻專用電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。 高壓變頻器輸出電動(dòng)機(jī)的影響主要取決于高壓變頻器輸出電動(dòng)機(jī)的影響主要取決于逆變電路的逆變電路的結(jié)構(gòu)和特性結(jié)構(gòu)和特性。 美國(guó)的美國(guó)的NEMA標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)MGI-1993中對(duì)電動(dòng)機(jī)諧波發(fā)熱、中對(duì)電動(dòng)機(jī)諧波發(fā)熱、du/dt和共模電壓等方面有相應(yīng)的規(guī)定。和共模電壓等方面有相應(yīng)的規(guī)定。 東北大學(xué)東北大學(xué)1 1、輸出諧波對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響、輸出諧波對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響l輸出諧波對(duì)電動(dòng)機(jī)的輸出諧波對(duì)

3、電動(dòng)機(jī)的影響影響主要有：諧波引起電動(dòng)機(jī)附加發(fā)熱、導(dǎo)致電主要有：諧波引起電動(dòng)機(jī)附加發(fā)熱、導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的額外溫升，電動(dòng)機(jī)往往要降額使用。動(dòng)機(jī)的額外溫升，電動(dòng)機(jī)往往要降額使用。由于輸出波形失真，增加電動(dòng)機(jī)的重復(fù)峰值電壓，影響電動(dòng)機(jī)絕緣；由于輸出波形失真，增加電動(dòng)機(jī)的重復(fù)峰值電壓，影響電動(dòng)機(jī)絕緣；諧波還會(huì)引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪聲增加。諧波還會(huì)引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪聲增加。l高次諧波引起的高次諧波引起的損耗損耗增加主要表現(xiàn)在：定子銅損耗、轉(zhuǎn)子銅損耗、鐵增加主要表現(xiàn)在：定子銅損耗、轉(zhuǎn)子銅損耗、鐵損耗及附加損耗的增加。損耗及附加損耗的增加。影響最為顯著的是影響最為顯著的是轉(zhuǎn)子銅損耗轉(zhuǎn)子銅損耗，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子是

4、以接近基波頻率旋轉(zhuǎn)速，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子是以接近基波頻率旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)的，因此對(duì)于高次諧波電壓來說，轉(zhuǎn)子總是在轉(zhuǎn)差率接近度旋轉(zhuǎn)的，因此對(duì)于高次諧波電壓來說，轉(zhuǎn)子總是在轉(zhuǎn)差率接近1的狀態(tài)的狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)，所以轉(zhuǎn)子銅損耗較大；下旋轉(zhuǎn)，所以轉(zhuǎn)子銅損耗較大；在這種狀態(tài)下，除了直流電阻引起的銅損耗外，還必須考慮由于在這種狀態(tài)下，除了直流電阻引起的銅損耗外，還必須考慮由于集膚效應(yīng)集膚效應(yīng)所產(chǎn)生的實(shí)際阻抗增加而引起的銅損耗。所產(chǎn)生的實(shí)際阻抗增加而引起的銅損耗。 東北大學(xué)東北大學(xué)普通的電流源型變頻器普通的電流源型變頻器l其輸出電流波形和輸入電流波形極為相似，都是其輸出電流波形和輸入電流波形極為相似，都是120度的方波，

5、含有度的方波，含有豐富的諧波成分，總諧波電流失真可達(dá)到豐富的諧波成分，總諧波電流失真可達(dá)到30%左右。左右。l為了降低輸出諧波，也有采用輸出為了降低輸出諧波，也有采用輸出12脈波方案脈波方案或設(shè)置或設(shè)置輸出濾波器輸出濾波器，輸，輸出波形會(huì)有較大改善，但系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性也會(huì)大大增加。出波形會(huì)有較大改善，但系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性也會(huì)大大增加。l輸出濾波器換相式電流源型變頻器輸出濾波器換相式電流源型變頻器固有的濾波器可以起到一定的濾波固有的濾波器可以起到一定的濾波作用，所以速度較高時(shí)，電動(dòng)機(jī)電流波形有所改善。作用，所以速度較高時(shí)，電動(dòng)機(jī)電流波形有所改善。lGTO-PWM電流源型電流源型變頻器輸出電流質(zhì)

6、量的提高主要通過變頻器輸出電流質(zhì)量的提高主要通過GTO采用采用諧諧波消除的電流波消除的電流PWM開關(guān)模式開關(guān)模式來實(shí)現(xiàn)，但受到來實(shí)現(xiàn)，但受到GTO開關(guān)頻率上限的限開關(guān)頻率上限的限制。制。 東北大學(xué)東北大學(xué)三電平變頻器三電平變頻器l三電平變頻器與普通的二電平三電平變頻器與普通的二電平PWM變頻器相比，由于輸出變頻器相比，由于輸出相電壓電平數(shù)增加，每個(gè)電平幅值相對(duì)下降，提高了輸出相電壓電平數(shù)增加，每個(gè)電平幅值相對(duì)下降，提高了輸出電壓諧波消除算法的自由度；電壓諧波消除算法的自由度；l在相同開關(guān)頻率的前提下，可使輸出波形質(zhì)量比二電平在相同開關(guān)頻率的前提下，可使輸出波形質(zhì)量比二電平PWM變頻器有較大的提

7、高，但輸出電壓諧波失真仍達(dá)變頻器有較大的提高，但輸出電壓諧波失真仍達(dá)29%，電動(dòng)機(jī)電流諧波失真達(dá)電動(dòng)機(jī)電流諧波失真達(dá)17%；l須采取須采取專用電動(dòng)機(jī)專用電動(dòng)機(jī)，如要采用普通電動(dòng)機(jī)，必須設(shè)置，如要采用普通電動(dòng)機(jī)，必須設(shè)置輸出輸出濾波器濾波器。 東北大學(xué)東北大學(xué)單元串聯(lián)多電平變頻器單元串聯(lián)多電平變頻器l當(dāng)輸出電壓為當(dāng)輸出電壓為6kv等級(jí)時(shí)，典型的輸出電壓總諧波失真小于等級(jí)時(shí)，典型的輸出電壓總諧波失真小于7%，大大低于普通電流源型變頻器和三電平變頻器；，大大低于普通電流源型變頻器和三電平變頻器；l采用了采用了多電平移相式多電平移相式PWM控制控制，輸出諧波的頻率主要集中，輸出諧波的頻率主要集中在在4

8、.57.5kHz范圍內(nèi)，且都低于范圍內(nèi)，且都低于5%；l一般的異步電動(dòng)機(jī)，工頻時(shí)阻抗為一般的異步電動(dòng)機(jī)，工頻時(shí)阻抗為16%左右，相對(duì)左右，相對(duì)5kHz的的諧波，其阻抗約為諧波，其阻抗約為1600%，其產(chǎn)生的各次諧波電流約小于，其產(chǎn)生的各次諧波電流約小于0.3%，符合，符合MGI-1993中小于中小于1%的要求；的要求；l電動(dòng)機(jī)基本不會(huì)產(chǎn)生附加的諧波發(fā)熱、噪聲和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，電動(dòng)機(jī)基本不會(huì)產(chǎn)生附加的諧波發(fā)熱、噪聲和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，不必設(shè)置輸出濾波器，可直接使用普通的異步電動(dòng)機(jī)。不必設(shè)置輸出濾波器，可直接使用普通的異步電動(dòng)機(jī)。 東北大學(xué)東北大學(xué)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的影響脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的影響l普通電流源型變頻器的輸出電流不是正

9、弦波，而是普通電流源型變頻器的輸出電流不是正弦波，而是120度的方波度的方波，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩除了，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩除了平均轉(zhuǎn)矩平均轉(zhuǎn)矩以以外，還有外，還有脈動(dòng)分量脈動(dòng)分量。l脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的平均值為脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的平均值為0，但它會(huì)使轉(zhuǎn)子的，但它會(huì)使轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不均轉(zhuǎn)速不均勻勻，產(chǎn)生脈動(dòng)；，產(chǎn)生脈動(dòng)；l在在低速低速時(shí)，還會(huì)發(fā)生時(shí)，還會(huì)發(fā)生步進(jìn)現(xiàn)象；步進(jìn)現(xiàn)象；在適當(dāng)?shù)臈l件下，在適當(dāng)?shù)臈l件下，可能引起電動(dòng)機(jī)與負(fù)載組成的機(jī)械系統(tǒng)的可能引起電動(dòng)機(jī)與負(fù)載組成的機(jī)械系統(tǒng)的共振共振。 東北大學(xué)東北大學(xué)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的分析脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的分析l脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩主要是由脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩主要是由基波旋轉(zhuǎn)磁通和轉(zhuǎn)子諧波電流相互作用產(chǎn)生基波旋轉(zhuǎn)磁通和轉(zhuǎn)子諧

10、波電流相互作用產(chǎn)生的。的。l在三相電動(dòng)機(jī)中，產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的主要是在三相電動(dòng)機(jī)中，產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的主要是6n1次諧波。次諧波。6脈動(dòng)輸出電脈動(dòng)輸出電流源型變頻器輸出電流中含有豐富的流源型變頻器輸出電流中含有豐富的5次和次和7次諧波，次諧波，5次諧波產(chǎn)生的旋次諧波產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)與基波旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)與基波旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)反向反向，7次諧波產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)與基波旋次諧波產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)與基波旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)同向同向，而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的電氣旋轉(zhuǎn)速度基本接近基波磁動(dòng)勢(shì)的，而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的電氣旋轉(zhuǎn)速度基本接近基波磁動(dòng)勢(shì)的旋轉(zhuǎn)速度（兩者的差別對(duì)應(yīng)于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率），所以旋轉(zhuǎn)速度（兩者的差別對(duì)應(yīng)于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率），所

11、以5次諧波磁動(dòng)勢(shì)次諧波磁動(dòng)勢(shì)和和7次諧波磁動(dòng)勢(shì)都會(huì)在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子中感應(yīng)產(chǎn)生次諧波磁動(dòng)勢(shì)都會(huì)在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子中感應(yīng)產(chǎn)生6倍于基波頻率的轉(zhuǎn)子倍于基波頻率的轉(zhuǎn)子諧波電流諧波電流?；ㄐD(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)和?；ㄐD(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)和6倍頻的轉(zhuǎn)子諧波電流共同作用，產(chǎn)生倍頻的轉(zhuǎn)子諧波電流共同作用，產(chǎn)生6倍頻的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍頻的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，所以，所以6脈波輸出電流源型變頻器含有較大的脈波輸出電流源型變頻器含有較大的6倍頻脈倍頻脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。動(dòng)轉(zhuǎn)矩。l同樣，同樣，11次和次和13次諧波電流也會(huì)產(chǎn)生次諧波電流也會(huì)產(chǎn)生12倍頻的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍頻的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。 東北大學(xué)東北大學(xué)6脈波輸出電流源型變頻器的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)脈波輸出電流源型變頻器的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)l在輸出頻率

12、為在輸出頻率為30Hz時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)值（圖中縱坐標(biāo)采用對(duì)數(shù)坐動(dòng)值（圖中縱坐標(biāo)采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)）。標(biāo)）。l電流源型變頻器采用電流源型變頻器采用12脈波多脈波多重化重化后，輸出電流波形有較大后，輸出電流波形有較大改善，由于改善，由于5次和次和7次諧波基本次諧波基本抵消，抵消，6倍頻脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩大大降倍頻脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩大大降低低，剩下的主要為，剩下的主要為12倍頻的脈倍頻的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，總的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯降動(dòng)轉(zhuǎn)矩，總的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯降低。低。 東北大學(xué)東北大學(xué)l脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩在低速時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響尤為明顯。因?yàn)?，脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩在低速時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響尤為明顯。因?yàn)?，?duì)三相電動(dòng)機(jī)而言，由于對(duì)三相電動(dòng)機(jī)而言，由于6n6n1

13、 1次諧波存在，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)次諧波存在，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為矩為: :011cos(6)mmnTTTntmT1轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分量的最大值；轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分量的最大值；變頻器輸出基波電壓的角頻率。變頻器輸出基波電壓的角頻率。l根據(jù)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)方程，可得由于諧波原因引起的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)根據(jù)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)方程，可得由于諧波原因引起的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的脈動(dòng)分量為速的脈動(dòng)分量為:1111111cos(6)sin(6)6mmmmnnTTntntJJn 東北大學(xué)東北大學(xué)轉(zhuǎn)速脈動(dòng)的規(guī)律及消除措施轉(zhuǎn)速脈動(dòng)的規(guī)律及消除措施l由上式可知，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速脈動(dòng)有以下規(guī)律：由上式可知，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速脈動(dòng)有以下規(guī)律：轉(zhuǎn)速脈動(dòng)頻率分別為電動(dòng)機(jī)基波角頻率的轉(zhuǎn)速脈動(dòng)

14、頻率分別為電動(dòng)機(jī)基波角頻率的6n倍倍；其幅值與變頻器輸出的其幅值與變頻器輸出的基波角頻率（或頻率基波角頻率（或頻率f）成反比）成反比，即輸出頻率（或，即輸出頻率（或電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速）越低，轉(zhuǎn)速波動(dòng)越大；也就是說，電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)行情況下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速）越低，轉(zhuǎn)速波動(dòng)越大；也就是說，電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)行情況下，為了使轉(zhuǎn)速波動(dòng)量維持在同一水平，對(duì)輸出諧波抑制的要求更高。為了使轉(zhuǎn)速波動(dòng)量維持在同一水平，對(duì)輸出諧波抑制的要求更高。轉(zhuǎn)速脈動(dòng)幅值與變頻器輸出的轉(zhuǎn)速脈動(dòng)幅值與變頻器輸出的諧波次數(shù)諧波次數(shù)n成反比成反比，即低次諧波所引起的轉(zhuǎn)，即低次諧波所引起的轉(zhuǎn)速脈動(dòng)比高次諧波的影響更大。速脈動(dòng)比高次諧波的影響更大。l要使

15、電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速脈動(dòng)較小，首先要消除或抑制變頻器輸要使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速脈動(dòng)較小，首先要消除或抑制變頻器輸出的低次諧波，采取出的低次諧波，采取高頻高頻PWM方法方法，將輸出諧波往高頻推，將輸出諧波往高頻推移，不失為減少轉(zhuǎn)速脈動(dòng)的有效辦法。移，不失為減少轉(zhuǎn)速脈動(dòng)的有效辦法。 東北大學(xué)東北大學(xué)l三電平變頻器：三電平變頻器：在不采用輸出濾波器時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；在不采用輸出濾波器時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；采用輸出濾波器后，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)可大大降低。采用輸出濾波器后，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)可大大降低。l單元串聯(lián)多電平變頻器：?jiǎn)卧?lián)多電平變頻器：輸出電流諧波較低，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分量極小；輸出電流諧波較低，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈

16、動(dòng)分量極??；在輸出頻率為在輸出頻率為30Hz時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)值，各次脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩都在時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)值，各次脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩都在0.1%以下（圖以下（圖6-43）。）。 東北大學(xué)東北大學(xué) 東北大學(xué)東北大學(xué)2 2、輸出、輸出du/dtdu/dt對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響l由于由于PWM方式和高速電力電子器件的使用，變頻器輸出方式和高速電力電子器件的使用，變頻器輸出電電壓變化率壓變化率du/dt對(duì)電動(dòng)機(jī)對(duì)電動(dòng)機(jī)絕緣絕緣產(chǎn)生的影響問題也越來越嚴(yán)重。產(chǎn)生的影響問題也越來越嚴(yán)重。ldu/dt取決于兩個(gè)方面：取決于兩個(gè)方面：電壓跳變臺(tái)階的幅值電壓跳變臺(tái)階的幅值，它與變頻器的電壓等級(jí)和主電路，它與變頻器的電壓等級(jí)和主電路結(jié)構(gòu)有關(guān)

17、；結(jié)構(gòu)有關(guān)；逆變器逆變器功率器件的開關(guān)速度功率器件的開關(guān)速度，開關(guān)速度越高，開關(guān)速度越高，du/dt越大。越大。 東北大學(xué)東北大學(xué)電壓跳變臺(tái)階的影響比較l普通的二電平普通的二電平由于輸出電壓跳變臺(tái)階較大，相電壓的跳變分別達(dá)到直流母線電壓，同時(shí)由由于輸出電壓跳變臺(tái)階較大，相電壓的跳變分別達(dá)到直流母線電壓，同時(shí)由于逆變器功率器件開關(guān)速度較快，會(huì)產(chǎn)生較大的于逆變器功率器件開關(guān)速度較快，會(huì)產(chǎn)生較大的du/dt相當(dāng)于在電動(dòng)機(jī)線圈上相當(dāng)于在電動(dòng)機(jī)線圈上反復(fù)施加陡度很大的沖擊電壓，使電動(dòng)機(jī)反復(fù)施加陡度很大的沖擊電壓，使電動(dòng)機(jī)絕緣承受嚴(yán)酷的電應(yīng)力絕緣承受嚴(yán)酷的電應(yīng)力，尤其當(dāng)變，尤其當(dāng)變頻器輸出與電動(dòng)機(jī)之間電纜

18、距離較長(zhǎng)時(shí)，由于線路分布電感和分布電容的存頻器輸出與電動(dòng)機(jī)之間電纜距離較長(zhǎng)時(shí)，由于線路分布電感和分布電容的存在，會(huì)產(chǎn)生在，會(huì)產(chǎn)生行波反射放大作用行波反射放大作用，在參數(shù)適合時(shí)，加到電動(dòng)機(jī)繞組上的電壓會(huì)，在參數(shù)適合時(shí)，加到電動(dòng)機(jī)繞組上的電壓會(huì)成倍增加，引起電動(dòng)機(jī)絕緣損壞。成倍增加，引起電動(dòng)機(jī)絕緣損壞。一般需要一般需要特殊設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)特殊設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)絕緣必須加強(qiáng)。如果要使用普通電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)絕緣必須加強(qiáng)。如果要使用普通電動(dòng)機(jī)，必須必須附加輸出濾波器附加輸出濾波器。l三電平三電平PWM電壓源型變頻器電壓源型變頻器在相同輸出電壓等級(jí)前提下，相對(duì)二電平結(jié)構(gòu)而言，輸出在相同輸出電壓等級(jí)前提下，相對(duì)

19、二電平結(jié)構(gòu)而言，輸出du/dt有所下降有所下降；但在不加輸出濾波器時(shí)，仍但在不加輸出濾波器時(shí)，仍不能不能符合符合MGI的標(biāo)準(zhǔn)。的標(biāo)準(zhǔn)。 東北大學(xué)東北大學(xué)l單元串聯(lián)多電平變頻器單元串聯(lián)多電平變頻器最大的相電壓跳變等于一個(gè)最大的相電壓跳變等于一個(gè)單元的直流母線電壓?jiǎn)卧闹绷髂妇€電壓，對(duì)，對(duì)6kv電壓等級(jí)電壓等級(jí)的變頻器而言，約為的變頻器而言，約為900V，功率單元所用，功率單元所用IGBT開通時(shí)電壓上升時(shí)開通時(shí)電壓上升時(shí)間為間為0.3s s，du/dtdu/dt約為約為30003000V/ s s；MGI標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍為為1 1s s內(nèi)從內(nèi)從1010% %的相電壓峰值變換到的相電壓峰

20、值變換到90%90%的相電的相電壓峰值，對(duì)壓峰值，對(duì)6kV6kV電動(dòng)機(jī)而言，約為電動(dòng)機(jī)而言，約為3919V/3919V/s s。因此，該因此，該類變頻器輸類變頻器輸出出dudu/dt/dt很低，使得電動(dòng)機(jī)絕緣不會(huì)受到影響，可以使用普通的異很低，使得電動(dòng)機(jī)絕緣不會(huì)受到影響，可以使用普通的異步電動(dòng)機(jī)。步電動(dòng)機(jī)。由于輸出由于輸出du/dtdu/dt很低，不會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)電纜很低，不會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)電纜時(shí)行波反射引起的時(shí)行波反射引起的du/dtdu/dt放大放大問題問題，對(duì)輸出電纜長(zhǎng)度沒特殊限制，目前使用的最長(zhǎng)記錄為，對(duì)輸出電纜長(zhǎng)度沒特殊限制，目前使用的最長(zhǎng)記錄為20km20km。 東北大學(xué)東北大學(xué)3、共模電壓和軸

21、電流對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響l共模電壓（也叫零序電壓），是指電動(dòng)機(jī)定子繞組的中心共模電壓（也叫零序電壓），是指電動(dòng)機(jī)定子繞組的中心點(diǎn)和地之間的電壓。點(diǎn)和地之間的電壓。 東北大學(xué)東北大學(xué)l由于上下直流母線的濾波電抗器大小相同，而且流過相同由于上下直流母線的濾波電抗器大小相同，而且流過相同的電流，所以每個(gè)電抗器上的壓降也相同，因此以接地點(diǎn)的電流，所以每個(gè)電抗器上的壓降也相同，因此以接地點(diǎn)G為參考電平，各點(diǎn)電壓符合以下關(guān)系：為參考電平，各點(diǎn)電壓符合以下關(guān)系：pGpGnGnGUEEUpGnGpGnGUUEEmGnGpGnGpGmGEEEUUU2/ )(2/ )(由于整流電路在同一時(shí)刻只有兩相同時(shí)導(dǎo)通，導(dǎo)致整流由

22、于整流電路在同一時(shí)刻只有兩相同時(shí)導(dǎo)通，導(dǎo)致整流電路輸出的直流中點(diǎn)電壓不等于供電電源中心點(diǎn)電壓，電路輸出的直流中點(diǎn)電壓不等于供電電源中心點(diǎn)電壓，即即:0mGU 東北大學(xué)東北大學(xué)l下下圖是在晶閘管觸發(fā)延遲角為圖是在晶閘管觸發(fā)延遲角為2020度時(shí)的各點(diǎn)電壓波形。度時(shí)的各點(diǎn)電壓波形。mGU中點(diǎn)電壓中點(diǎn)電壓 按照電網(wǎng)電壓三倍的頻率進(jìn)行變化；按照電網(wǎng)電壓三倍的頻率進(jìn)行變化；在晶閘管觸發(fā)延遲角為在晶閘管觸發(fā)延遲角為9090度時(shí)幅值達(dá)到最大。度時(shí)幅值達(dá)到最大。 東北大學(xué)東北大學(xué)l電流源型變頻器逆變器的工作原理與整流器大致相同，因電流源型變頻器逆變器的工作原理與整流器大致相同，因此逆變器輸入直流中點(diǎn)對(duì)電動(dòng)機(jī)中心

23、點(diǎn)的電壓此逆變器輸入直流中點(diǎn)對(duì)電動(dòng)機(jī)中心點(diǎn)的電壓波形波形UmG與與波形大致相同，只是波形大致相同，只是EmN的變化頻率為變頻器輸出頻率的的變化頻率為變頻器輸出頻率的三倍，會(huì)隨著變頻器輸出頻率的變化而變化。三倍，會(huì)隨著變頻器輸出頻率的變化而變化。l由于：由于： UmG = EmG= EmN+ UNG l共模電壓：共模電壓： UNG = UmG EmNl由于輸出頻率一般不等于電網(wǎng)頻率，且不斷變化，因此由于輸出頻率一般不等于電網(wǎng)頻率，且不斷變化，因此 UmG和和EmN的組合可以導(dǎo)致共模電壓在某一時(shí)刻達(dá)到最大值。的組合可以導(dǎo)致共模電壓在某一時(shí)刻達(dá)到最大值。 東北大學(xué)東北大學(xué)l由于由于UmG和和EmN

24、的最大值都可以達(dá)到額定相電壓峰值的的最大值都可以達(dá)到額定相電壓峰值的50%，所以共模電壓最大可接近相電壓的峰值；，所以共模電壓最大可接近相電壓的峰值；l如果電源的中心點(diǎn)接地，電動(dòng)機(jī)的機(jī)殼也接地，這樣共模如果電源的中心點(diǎn)接地，電動(dòng)機(jī)的機(jī)殼也接地，這樣共模電壓就施加到電動(dòng)機(jī)定子繞組的中心點(diǎn)和機(jī)殼之間。電壓就施加到電動(dòng)機(jī)定子繞組的中心點(diǎn)和機(jī)殼之間。l高的共模電壓使電動(dòng)機(jī)繞組承受的絕緣應(yīng)力為電網(wǎng)直接運(yùn)高的共模電壓使電動(dòng)機(jī)繞組承受的絕緣應(yīng)力為電網(wǎng)直接運(yùn)行情況下的行情況下的2倍倍，嚴(yán)重影響電動(dòng)機(jī)絕緣。，嚴(yán)重影響電動(dòng)機(jī)絕緣。l下下圖顯示了一輸出電壓為圖顯示了一輸出電壓為41604160V的的GTO電流源型變

25、頻器的電流源型變頻器的共模電壓波形共模電壓波形。 東北大學(xué)東北大學(xué) 東北大學(xué)東北大學(xué)l沒有輸入變壓器沒有輸入變壓器：共模電壓會(huì)直接施加到電動(dòng)機(jī)上，增加繞組對(duì)地的電應(yīng)共模電壓會(huì)直接施加到電動(dòng)機(jī)上，增加繞組對(duì)地的電應(yīng)力，引起絕緣擊穿，影響電動(dòng)機(jī)的使用壽命力，引起絕緣擊穿，影響電動(dòng)機(jī)的使用壽命；電動(dòng)機(jī)絕緣必須加強(qiáng)，以承受共模電壓。電動(dòng)機(jī)絕緣必須加強(qiáng)，以承受共模電壓。l設(shè)置輸入變壓器設(shè)置輸入變壓器（變壓器二次側(cè)中點(diǎn)不能接地）（變壓器二次側(cè)中點(diǎn)不能接地）：共模電壓由輸入變壓器和電動(dòng)機(jī)共同來承擔(dān)，按照輸入共模電壓由輸入變壓器和電動(dòng)機(jī)共同來承擔(dān)，按照輸入變壓器一次、二次繞組間的分布電容和電動(dòng)機(jī)繞組對(duì)機(jī)變壓器

26、一次、二次繞組間的分布電容和電動(dòng)機(jī)繞組對(duì)機(jī)殼間的分布電容（兩個(gè)電容串聯(lián)）進(jìn)行分配殼間的分布電容（兩個(gè)電容串聯(lián)）進(jìn)行分配； 東北大學(xué)東北大學(xué)由于一般輸入變壓器的分布電容大大小于電動(dòng)機(jī)繞組對(duì)由于一般輸入變壓器的分布電容大大小于電動(dòng)機(jī)繞組對(duì)機(jī)殼的分布電容（比如前者為后者的機(jī)殼的分布電容（比如前者為后者的1/10），這樣約），這樣約90%的共模電壓由輸入變壓器來承擔(dān)，只要考慮加強(qiáng)輸?shù)墓材ｋ妷河奢斎胱儔浩鱽沓袚?dān)，只要考慮加強(qiáng)輸入變壓器的絕緣即可，而變壓器的絕緣加強(qiáng)，相對(duì)電動(dòng)入變壓器的絕緣即可，而變壓器的絕緣加強(qiáng)，相對(duì)電動(dòng)機(jī)要容易很多。機(jī)要容易很多。l例如：例如：4160V額定電壓的電動(dòng)機(jī)要求采用額定電壓

27、的電動(dòng)機(jī)要求采用10kV的絕緣設(shè)計(jì)，的絕緣設(shè)計(jì)，不能使用標(biāo)準(zhǔn)的異步電動(dòng)機(jī)。不能使用標(biāo)準(zhǔn)的異步電動(dòng)機(jī)。MGI允許允許6kV電動(dòng)機(jī)可以承電動(dòng)機(jī)可以承受的共模電壓范圍為基波相電壓峰值和共模電壓峰值之和受的共模電壓范圍為基波相電壓峰值和共模電壓峰值之和不超過不超過8.7kV。 東北大學(xué)東北大學(xué)lPWMPWM變頻器的共模電壓中含有變頻器的共模電壓中含有與開關(guān)頻率相對(duì)應(yīng)的高頻分量與開關(guān)頻率相對(duì)應(yīng)的高頻分量，高頻的電壓分量會(huì)通過輸出電纜和電動(dòng)機(jī)的分布電容產(chǎn)生高頻的電壓分量會(huì)通過輸出電纜和電動(dòng)機(jī)的分布電容產(chǎn)生對(duì)地對(duì)地高頻漏電流高頻漏電流，影響逆變器功率電路的安全。，影響逆變器功率電路的安全。l電動(dòng)機(jī)通過地產(chǎn)生

28、的高頻漏電流電動(dòng)機(jī)通過地產(chǎn)生的高頻漏電流：部分經(jīng)定子繞組和機(jī)殼間的分布電容，再經(jīng)機(jī)殼流入地部分經(jīng)定子繞組和機(jī)殼間的分布電容，再經(jīng)機(jī)殼流入地；部分通過繞組和轉(zhuǎn)子間的分布電容，經(jīng)軸承再到機(jī)殼，然后到地。部分通過繞組和轉(zhuǎn)子間的分布電容，經(jīng)軸承再到機(jī)殼，然后到地。后者的作用相當(dāng)于后者的作用相當(dāng)于軸電流軸電流，會(huì)引起電動(dòng)機(jī)軸承的，會(huì)引起電動(dòng)機(jī)軸承的“電蝕電蝕”，影響軸，影響軸承的壽命。承的壽命。 東北大學(xué)東北大學(xué)4 4、電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和輸出電纜選擇、電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和輸出電纜選擇的特殊的特殊問題問題l由于變頻器輸出諧波會(huì)引起電動(dòng)機(jī)附加溫升，電動(dòng)機(jī)容量必須適當(dāng)放由于變頻器輸出諧波會(huì)引起電動(dòng)機(jī)附加溫升，電動(dòng)機(jī)容量必須

29、適當(dāng)放大，熱參數(shù)降低使用。大，熱參數(shù)降低使用。l設(shè)計(jì)時(shí)，在可能的條件下，盡量減少定、轉(zhuǎn)子電阻，以降低損耗。設(shè)計(jì)時(shí)，在可能的條件下，盡量減少定、轉(zhuǎn)子電阻，以降低損耗。尤其是尤其是轉(zhuǎn)子電阻轉(zhuǎn)子電阻的減少很有必要，因?yàn)檗D(zhuǎn)子銅損耗在高次諧波所產(chǎn)生的損的減少很有必要，因?yàn)檗D(zhuǎn)子銅損耗在高次諧波所產(chǎn)生的損耗中占相當(dāng)?shù)谋壤闹姓枷喈?dāng)?shù)谋壤徊捎米冾l運(yùn)行后，已經(jīng)不需要通過較大的轉(zhuǎn)子電阻去獲得足夠的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。采用變頻運(yùn)行后，已經(jīng)不需要通過較大的轉(zhuǎn)子電阻去獲得足夠的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。l對(duì)于目前應(yīng)用廣泛的電壓源型變頻器，為了抑制電流中的高次諧波，對(duì)于目前應(yīng)用廣泛的電壓源型變頻器，為了抑制電流中的高次諧波，適當(dāng)適當(dāng)增加電動(dòng)機(jī)的

30、電感增加電動(dòng)機(jī)的電感是必要的。是必要的。l設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮到高次諧波和低頻時(shí)電壓補(bǔ)償作用產(chǎn)生的磁路飽和加應(yīng)考慮到高次諧波和低頻時(shí)電壓補(bǔ)償作用產(chǎn)生的磁路飽和加深，要加大磁路設(shè)計(jì)裕量。深，要加大磁路設(shè)計(jì)裕量。 東北大學(xué)東北大學(xué)l普通電動(dòng)機(jī)采用普通電動(dòng)機(jī)采用自帶風(fēng)扇的冷卻方式自帶風(fēng)扇的冷卻方式，在轉(zhuǎn)速降低時(shí)，冷，在轉(zhuǎn)速降低時(shí)，冷卻風(fēng)量跟著降低，散熱效果下降。卻風(fēng)量跟著降低，散熱效果下降。對(duì)于對(duì)于風(fēng)機(jī)、水泵風(fēng)機(jī)、水泵等運(yùn)行頻率不低且轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速基本上呈等運(yùn)行頻率不低且轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速基本上呈平方關(guān)系的負(fù)載，由于在轉(zhuǎn)速下降時(shí)負(fù)載電流跟著大大平方關(guān)系的負(fù)載，由于在轉(zhuǎn)速下降時(shí)負(fù)載電流跟著大大下降，發(fā)熱下降，基本沒有什么問題。下降，發(fā)熱下降，基本沒有什么問題。對(duì)于對(duì)于運(yùn)行頻率較低，且低速時(shí)轉(zhuǎn)矩較大運(yùn)行頻率較低，且低