高压电压源与电流源变频器性能对比的讨论

高压电压源与电流源变频器性能对比的讨论1引言交-直-交变频器的中间直流环节如果是用大电容平波通常称为电压源型变频器。如果分开来称呼，则其后端逆变器部分叫电压源逆变器(vsi)，产品gb和iec标准也是这种称呼。其前端整流部分对电网而言是一个谐波源，也就叫电压型谐波源。与此相对照，交—直—交变频器的中间直流环节如果用大电感平波就分别称为电流源型变频器、电流源逆变器(csi)、电流源型谐波源。之所以要特别区分变频器为电压源和电流源两大类是因为他们的交流输入电流波形和变频后输出的交流电压和交流电流的波形及性能都有很大的不同。2电压源逆变器(vsi)国内应用的低压变频器几乎全是电压源型，中间直流是用电容平波，直流电压比较稳定，它的逆变器输出的电压波形决定于逆变器的控制和调制方式，大体上可分为两类电压波形。2.1矩形波电压输出如果输出是双重的，也可以是“凸”字形电压波，总之离正弦形相去较远，也就是说电压波形中除了基波外，还有许多谐波电压，至于在这种电压波形下产生的电流则决定于电动机(还串有一段支线电缆)的阻抗(基波阻抗和谐波阻抗)，输出的基波电压分量/基波阻抗可得到基波电流，输出的谐波电压分量/谐波阻抗可得到谐波电流，电动机的基波阻抗是感性的，因而其谐波感抗xh为基波感抗x1的h倍(h为各次谐波的谐波次数)，矩形波电压的谐波电压分量为基波分量的1/h，因此，输出矩形波电压，得到的各次谐波电流为,以5次谐波电流为例约为基波电流的1/25=4%，7次为1/49≈2%，虽然谐波电流成分不大，但对电机仍有一定的负作用。变频器输出的谐波成分以谐波电压危害严重，表现为电压峰值和电压上升率dv/dt，它威胁着电机的相间绝缘、对地绝缘和匝间绝缘，主要是电机进线处的头几匝，对高压电动机这个问题更为突出，这在文献[1]中已有论述。矩形波或“凸”字形波电压输出的变频器现已少见。2.2pwm调制波电压输出这是现今最大量变频器(无论是低压或高压变频器)的输出电压波形，由于采用了正弦调制spwm，或其他更好的调制方式，使输出电压波形接近正弦波，这是指调制波的包络线而言的，但每单个调制波的dv/dt更大了，这是因为调制频率达到上千hz，为减少电力电子器件的损耗和发热，采用的是高速通断器件。不但每次的dv/dt更大，而且是反复加上dv/dt。由于行波现象，加到电机端上的电压峰值也更高(不超过直流中间电压的2倍)。至于输出的电流波形和上一节输出的矩形波电流相比，则谐波电流分量更小，电流波形相对更接近正弦波，这也就是为什么要采用pwm调制的理由。但du/dt和电压峰值的威胁仍然存在，还更严重。此外还有许多对电机不利的影响如轴电流等。2.3对策欲减少变频器输出中含有的浪涌的严重程度，在一定的条件下，可采取对策(连同其效果)如下：(详见iec标准[1](1)改变电动机电缆的长度和将电缆接地，这将改变电动机端上的浪涌幅值，虽然此措施常常是困难的或不实际的。(2)采用有较高介质损耗的电缆(例如丁基橡胶或油纸绝缘)。采用铁材屏蔽的特种电缆也行。这些办法将减少振荡并改善电磁兼容(emc)性能。(3)如果相—地之间出现问题，可对接地配置加以改变。(4)装设输出电抗器，可增加峰值上升时间，它和电缆电容的联合作用将减少行波峰值电压。此时要考虑增加了电抗上的电压降。(5)装设输出dv/dt滤波器，可显著增加峰值上升时间。采用此措施可增加电缆长度。(6)装设输出正弦波滤波器，可增加峰值上升时间。采用此方案的可能性决定于对象所要求的特性，特别是调速范围与动态性能，它有两种类型，类型i能同时减少相—相间和相—地间的电压应力；而类型ⅱ只能减少相—相间电压应力。此外这种滤波器可减少emc干扰和电动机的附加损耗和噪音，而且用了类型i滤波器后就可以采用标准的非屏蔽电缆。(7)在电动机端附近装设终端单元可抑制电动机端口的过电压。(8)降低每步脉冲的电压幅度，例如采用三电平或多电平变流器。3电流源逆变器(csi)国内市场上出现的产品中只有ab公司的高压变频器，其他品牌的高压变频器以及全部低压变频器都不用这个csi方案，国内新出现一书[7]，对此论述最多，这个方案在技术原理上有特点，为了搞清楚他的内在实质，不妨探讨一番，以便于和电压源逆变器的性能比较。csi的构造不同就是在整流后的中间直流环节用大电感平波，因而直流电流比较稳定，所以叫电流源型(但不是恒流)。3.1矩形波电流输出最早出现的线路方案是采用晶闸管的串联二极管式即采用强迫换流，还有驱动同步电动机采用负载换流，由于当今市面上应用很少，这里对线路原理不再介绍，下面只讨论他的外部特性。在科技书籍里介绍csi特点次数多的当推文献[4]，csi的主要特点如下：(1)中间直流电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗；(2)交流侧输出电流为矩形波，与负载阻抗角无关；(3)交流侧输出电压波形和相位决定于负载阻抗；(4)当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，为反馈无功能量，电流并不反向，因此不必像电压型逆变器一样要给开关器件反并二极管，直流侧电感可以贮存与释放无功能量；(5)同理，有功能量通过可控晶闸管桥可以反馈回交流电网，不要另设一套反馈到电网用逆变桥电路；(6)对触发信号的要求：对直流链总是要求有电流流通路径而不能开路，对交流侧不能有短路路径。为什么输出交流电流为矩形波？因为直流侧有一个大电感，可以稳定直流电流(但不是恒流)。为什么输出交流电压波形决定于负载阻抗？这是因为v=iz，这个式中的i是正向、反向都是120°宽的矩形波，(也可能是120°宽的凸字形波)z为负载感抗，可以分解为基波和特征谐波。交流电流侧的负载为电动机，其负载特性为阻感负载，对各次谐波而言，谐波感抗是基波感抗的h倍，h是特征谐波次数例如5、7等等，但是要注意，直流侧的大电感对各次谐波而言，相当于一个很大的电源内抗，在这个大电感上会有很大的谐波电压降，结果，输出的交流电压波形虽不是正弦波，但也决不是矩形波，比较接近于正弦波，其原因应该是直流大电感上削去了大部分的谐波电压。3.2pwm调制波输出被调制波的基波电流波形，由于是电流源所以为矩形波，经过pwm调制后，电流波形的包络线已初步接近正弦波，但免不了仍然有由调制频率而产生的高频电流波，他也会被中间直流环节的大电感所抑制，由于频率高，受到的抑制作用更强，所以交流输出不论是电流波还是电压波都是接近正弦波，基本理由应该是大电感抑制特征谐波成分和高频成分的结果。在高压变频器中，对电动机威协严重的除了输出电压幅值外主要是输出交流电压中的dv/dt，此高值的dv/dt，其本质就是高频电压成分，同上面分析的道理一样，由于直流大电感的抑制作用，使dv/dt值大为缩小。3.3输出、输入端电容的滤波作用电流源逆变器脉宽调制(csi-pwm)输出端都有一组并联的电容器，此电容是为了在换流过程中提供电流通路而设(因直流回路电感量很大，电流不能关断而宜另找通路)，此旁路电容对电流的谐波和高频成分阻抗分别较小和更小，(同时并联电容也流过不大的基波成分)因而同时也起了一定的滤波作用，使流向电动机的电流更靠近正弦波。同理，交流电源输入端也需要一组并联电容器，但它容易和电网系统内的电感产生lc串联谐振，为了避免揩振，产品厂家必须采抑制措施，文献[7]介绍了低损耗的有源阻尼方案。4变频器电网侧的谐波电流此谐波电流与逆变电路无关，只决定于变频器前面输入整流部分的电路与中间直流是用电容还是电感平波，下面不讨论pwm整流，pwm整流有很好的性能，可四象限运行，高cosφ，低谐波，但有高频骚扰输到电网(与调制频率有关)，主要问题是价格较高。这里只讨论常用三相或多相整流装置向电网输出的谐波。4.1电压源变频器的谐波中间直流环节用大电容平波，只能稳定直流电压，此大电容对变动的输入却是低阻抗，因而输入电流有很大的谐波成分，iec标准[5]对此谐波分量已有数据列成表格如附表所示。从附表中可以看出下面几个特点：谐波是特征谐波，只和整流脉动数有关，例如三相对称桥整流，则为6脉动，最低谐波次数为5次，如果为18脉动，则最低谐波次数为17次(理论上没有5、7、11、13等低次谐波)，所以大功率整流多采用多相整流，即变压器有多个付绕组，彼此的相角有移位，而且谐波次数愈高，谐波相对值愈小。(2)各次谐波量的大小与变频器输入端的系统短路容量大小成正相关关系，短路容量愈小，谐波量愈小，所以在变频器输入端之前要求串入一台相对电抗值x%为4%的输入电抗器，对低压变频器而言，制造厂一般都成套提供。对高压变频器而言，这个道理是一样的，附表的数值也是适用的。x%不能太大也不能太小。(3)和下面的电流型变频器相比，电压源变频器在同等条件下的谐波电流要大很多，对这一点，下面第4.3节再作对比分析。4.2电流源变频器的谐波中间直流环节用大电感，对变动的电流而言，是一个很大的内抗，因而变频器输入电流中的谐波成分相对较少，它有以下特性：(1)ih/i1上式中:i1-基波电流，由负载大小决定；ih-特征谐波中的第h次的谐波电流。可见，谐波次数h愈高，其电流愈小，与h成反比，例如5次谐波只有基波电流的20%。(2)同电压型谐波源的第(1)点一样，谐波也是特征谐波，如果采用多相整流例如18脉动，最低谐波次数为17次，没有13次以下的谐波。(3)变频器输入端短路容量减少时，谐波电流略有减少，但变化不大。4.3电压源与电流源谐波的比较从上面分析可知对普通整流而言，二者的谐波都是特征谐波，通过多相整流，可以消除低次的特征谐波，谐波的次数愈高，其数值愈小，但对同一次谐波而言，电压源的谐波电流要大得多，以5次谐波为例，电流源的谐波相对值为1/5约为0.2，而电压源的谐波电流值为0.3，而且这是有条件的：rsc=20，即在变频器输入端之前需要串有一个输入电抗器，其相对电抗值加上电源系统的电抗(主要是变压器电抗)要等于5%。电流源变频器之前则并不需要为限制特征谐波而设置输入电抗器。5变频器输出电流动态性能比较某些意见认为电流源变频器输出电流的快速性好，笔者不认同此结论，它的快速性肯定不如电压源变频器，理由如下：如果要瞬时增加输出电流：(1)改变逆变侧pwm的调制规律，提高直流电压利用率，如果输出是方块波，则已无能为力；(2)从输入交流侧提高中间的直流电压值例如当输入侧整流桥使用的是可控或半可控器件(晶闸管)时。但即使这两个措施同时采用，由于中间直流环节中有一个很大的电抗器，电流的上升速度就受到很大的抑制，电压源变频器则刚好相反，中间并联的大电容是一个低阻抗，无论是接受电网来的能量，或输出能量给逆变器和电机，它几乎没有阻碍作用，只要有控制措施，就能快速响应。基于这样的分析，电流源变频器不适宜于动态性能要求很高的机械，例如轧钢机、提升机等，但电流上升率较低也有好处，就是万一发生短路，电子式过流保护易于凑效，电流上升率低这一固有性能、可以充分恰当地加以利用。6综合性能比较当前，电压源变频器在低压产品方面是压倒性的主流，在1kv以上高压产品方面也是主流，这是不争的事实，预计将来的局面也不会改变，这是因为电压源变频器的性能通用性强，适用于各种不同要求的负载，设计、生产技术也比较成熟，一般厂家都能掌握，但是高压变频器产品尚在发展中，当前尚存的主要问题包括：高电压大电流的全关断电力电子器件有待发展，电动机耐受高dv/dt的能力有限，因而三电平或多电平电压源高压变频器是一个现实的可行方案，为了得到既可靠又经济的三电平或多电平方案，不同的拓扑结构尚在研发中。电流源变频器不适用于负荷快速度化的负载，他的优点是两电平方案有不危害电机的dv/dt输出，如果将来高电压大电流的全关断器件能以不太高的价格大量出现，则他的发展势头有可能加大。7结束语由上述分析可以看出，电压源和电流源两类高压变频器各有各的发展空间，当前尚处在性价比的竞争态势中，本文的目的只是对两类高压变频器的技术性能作一些尝试性的分析和比较探讨，对深入理解可能有些帮助，欢迎批评和指正。作者简介蒋麦占ieee高级会员，《电气工程应用》杂志主编，全国建筑物电气装置标准化技术委员会委员，中国电工技术学会工业与建