电源：高压变频器原理

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21ic电源：1 高压变频器中，什么是高高方式什么是高-低-高方式

答：高高方式高压变频器是指变频器直接使用高压电源作为输入，且直接输出高压供高压电机使用(输入输出不需要升降压变压器)。高高方式主要用在大功率高压电机变频调速节能场合。

高低高方式变频器是高压电源经降压变压器降压后，用低压变频器进行变频控制，再用升压变压器把电压升到所需电压，供高压电机使用，高低高方式主要用在小功率高压电机变频调速节能场合。

2 高压变频器中，什么是交-直-交方式什么是交-交方式

答：无论是电流源型还是电压源型变频器，其原理都是将电网交流电经全波整流电路整流成直流电。然后又经逆变电路“逆变”成频率和电压均可调的三相交流电作为三相异步电动机的变频电源。可见，在变频器的输入和输出之间，经历了“交流原直流原交流”的过程，故称为“交原直原交”变频。

如图1 所示，交原交方式变频器主要分为晶闸管交原交变频器和矩阵式变换器两种，其特征是将交流电源不经过整流环节，而是直接通过控制开关器件的导通和关断来获取频率可变的交流电压，中间没有直流环节，所以成为交原交方式。

3 什么是电压源型变频器什么是电流源型变频器各有哪些优缺点

答：根据直流电路中滤波方式的不同，变频器被分为电压源型和电流源型两种，如图2 所示。

1)电压源型变频器直流电路采用电容器滤波。在波峰(电压较高)时，由电容器储存电能场，在波谷(电压较低)时，电容器将释放电场能来进行补充，从而使直流电压保持平稳。直流电路是一个电压源，故称为电压源型。其特点是：

(1)直流侧并联大电容，相当于电压源。直流电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。

(2)由于直流电压源的箝位作用，交流侧输出的电压波形为矩形波，并且与阻抗角无关。而交流侧输出的电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。

(3)当交流侧为阻抗负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。因为反馈无功能量时电流要反相，所以开关器件两端需要反并联二极管。

2)电流源型变频器直流电路采用电抗器滤波。在波峰(电流较大)时，由电

抗器储存磁场能，在波谷(电流较小)时，电抗器将释放磁场能来进行补充，从而使直流电流保持平稳。直流电路是一个电流源，故称为电流源型。其特点是：

(1)直流侧串联大电感，相当于电流源。直流电流基本无脉冲，直流回路呈现高阻抗。

(2)由于开关器件仅改变直流电流的流通路径，因此交流侧输出电流波形为矩形波，并且与阻抗角无关。而交流侧输出电压波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。

(3)当交流侧为阻抗负载时需要提供无功功率，直流侧电感起到缓冲无功能量的作用。因为反馈无功能量时直流电流并不反相，因此不必像电压源逆变电路那样要给开关器件反并联二极管。

4 什么是单元串联型高压变频器什么是器件串联型高压变频器

答：单元串联型高压变频器是利用低压单相变频器串联来弥补功率器件IGBT 的耐压能力不足。每个功率单元本身即是一个低压变频器，结构和性能完全一样，具有可互换性和批量生产性。

器件串联型高压变频器如图猿所示，可以看出，系统由电网高压直接经高压断路器进入变频器，经过高压二极管全桥整流，直流平波电抗器和电容滤波，再经逆变器逆变，加上正弦波滤波器，简单易行地实现高压变频输出，直接供给高压电动机。其主要特点是将IGBT直接串联来解决器件耐压不足的问题，采用二电平电压源型高压变频器已有的成熟技术，如结构简单，体积小，效率高，成本低等。

5 什么是三电平变频方式

答：三电平变频器原理如图源所示。在PWM电压源型变频器中，当输出电压较高时，为了避免器件串联引起的静态和动态均压问题，同时降低输出谐波及dv/dt的影响，逆变器部分可以采用中性点箝位的三电平方式(Neutral Point Clamped，NPC)。逆变器的功率器件可采用高压绝缘栅双极型晶体管IGBT或集成门极换流晶闸管IGCT。三电平变频器采用的箝位电路，解决了两只功率器件串联的问题，并使相电压输出具有三个电平。三电平逆变器的主回路结构环节少，虽然为电压源型结构，但易于实现能量回馈。三电平变频器在国内市场遇到的最大难题是输出电压问题，其最大输出电压达不到6 kV，所以往往需要采用变通的方法，要么改变电动机的电压(或进行星/三角改接)，要么在输出侧加升压变压器。这一弱点限制了它的广泛应用。目前也有器件串联三电平变频器，或裂相三电平(每相用一个单相三电平变频器)变频器，如ABB公司的ACS5000系列。

6 为什么单元串联型高压变频器要采用移相变压器输入

答：这是因为

1)单元串联多重化电压源型高压变频器是利用功率单元串联来弥补功率器件IGBT 的耐压能力不足。隔离变压器为功率单元提供690 V的电压输入。

2)功率单元串联之后，每个功率单元电压大小不会时刻相同，隔离变压器为功率单元提供足够的隔离电压。

3)功率单元输入端谐波电流很大，采用移相变压器可以消除谐波，使得谐波电流不流入电网。[p]

7 移相变压器的原理是什么

答：以6 kV 变频器的输入移相变压器为例，原边绕组为6 kV，副边共18 个三相绕组，每组输出电压为630 V。每个绕组为延边三角形接法，分别有相等的移相角度差，每个绕组接一个功率单元，如图5 所示。这种移相接法可以有效地消除35次以下的谐波，也就是我们经常说的36脉冲整流可以有效地消除35次以下的谐波。因此采用移相隔离变压器进行隔离降压，可以保证变频器系统对电网的谐波干扰在国家标准规定的限制值以内。

8 H级绝缘干式变压器，H级代表什么意义

答：干式变压器的耐热绝缘等级分为B 级、F级、H级及C级等。这些变压器的出现可以让用户有更多的选择。其材料的耐热绝缘等级与其最高工作温度的关系如表1 所列。

9 什么是可控整流

答：整流电路按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。如图6 所示，整流桥功率器件全由类似IGBT 全控开关器件组成的整流电路称为可控整流;若由类似晶闸管半控开关组成则称为半控整流;若由类似二极管不可控开关器件组成则称为不可控整流。

10 多级功率单元串联高压变频器靠什么提高功率因数

答：多级功率单元串联高压变频器可提高功率因数，这是由二级管整流电路和移相变压器的特性决定的。变压器漏感较小且没有直流平波电感时，二极管整流电路的基波功率因数很高，通用变频器里也是一样。但由于通用变频器没有移相变压器，因此其输入电流中较高的谐波含量降低了其整体的功率因数，在直流侧或者交流输入侧加装电抗器可以降低谐波含量，但会降低其整体的功率因数。多级功率单元串联高压变频器由于装有移相变压器，因而消去了输入电流中的绝大部分谐波，又保留了二极管整流电路的高功率因数特性，因此具有较高的功率因数。对于电压源型变频器，称其内部安装的直流母线平波电容具有无功补偿作用是不正确的，变频器内安装的直流电容的容量和变频器的输入功率因数基本没有什么关系。

11 为什么单元串联型变频器都采用电解电容作为滤波环节

答：目前，在变频器设计领域中，所采用电容有电解电容以及MKK自愈式电力电容器两种。

高压变频器在设计过程中，充分考虑变频器发热以及电流冲击对电容器的影响，针对电容器的环境温度对电容器的寿命的影响，变频装置在设计过程中为电容器设计专门的散热通道，保证电容器运行的环境温度不高于45益;通过精确的移相式PWM 算法，确保每个功率单元平均分配负荷，保证电容器不受到电流的冲击。故电解电容只要正确使用完全能满足高压变频器正常运行的需要，在多电平串联倍压的技术方案中，电解电容是最佳的选择。

MKK 自愈式电力电容器由于受到自身容量的限制，所以其单位容量所承受的电流远大于电解电容，故温升更大，影响寿命，而且其价格也比电解电容高。

12 每相6 个单元串联的高压变频器的相电压电平数为多少线电压电平数为多少整流脉冲数为多少

13 为什么说dv/dt 取决于功率单元二次电压

答：dv/dt 即电压变化率，功率单元IGBT 开关一次，变频器输出的电压增加或者减少一个功率单元二次侧的直流电压值，而IGBT的开关时间很短，为1 滋s左右，故dv /dt 取决于功率单元二次侧电压，如功率单元二次侧直流电压为900 V，则可以认为该变频器的dv/dt为900 V/滋s。

14 为什么功率单元串联型高压变频器输出不需要滤波器

答：功率单元串联型变频装置输出符合IEEE519原1992 及中国电力行业对电压失真最严格的要求，高于国标GB14549原93 对谐波失真的要求。变频装置考虑将对电网谐波影响减至最小的措施包括：

1)移相变压器;

2)单元串联技术;

3)优化的PWM 算法;

4)多脉冲整流技术(36 脉冲整流)，故功率单元串联型高压变频器的输出不需要滤波器，就可以拖动普通异步或同步电动机运行。

15 什么是变频器的控制方式高压变频器有哪几种控制方式

答：各种电动机在实现调速时，都必须采取一些辅助手段，以改善电动机的机械特性和调速性能。以直流电动机为例，在调速过程中，必须加入电流反馈环节(内环)和转速反馈环节(外环)，才能使它的调速特性趋于完善。异步电动机的变频调速也不例外，为了改善其在调速过程中的机械特性和调速性能，也必须采取一些必要的措施。异步电动机在进行变频调速时，可采取的方法较多，比较灵活，可以通过功能预置方便地进行选择。变频器说明书中所谓的控制方式，就是指在变频器调速的情况下，改善异步电动机特性的方式。

一般来说，变频器主要有以下几种控制方式。

1)V/f 控制方式即通过调整变频器输出侧的电压频率比(U/f比)的方法，来改变电动机在调速过程中机械特性的控制方式。

2)空间电压矢量控制方式是一种模拟直流电动机调速特点的控制方式，效果较好。根据其有无转速反馈又可分为：

(1)无速度反馈矢量控制方式即不需要转速反馈的控制方式;

(2)有速度反馈矢量控制方式即需要加入转速反馈环节的控制方式。

3)直接转矩控制方式这是部分变频器采取的一种控制方式，可以通过直接控制输出转矩的大小来调速，其控制结果与矢量控制类似，但各有其优缺点。

4) 矩阵式交交控制方式矩阵式交交变频省去了中间直流环节，从而可省去体积大、价格高的电解电容。它能实现功率因数为1，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。[p]

16 什么是PWM 什么是SPWM

答：PWM 的全称是Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制)，根据面积等效原理，利用一系列等幅不等宽的矩形脉冲序列等效所需要的波形(含形状和幅值)。

SPWM即正弦波PWM技术。在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律变化。当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔则较大。电压脉冲序列宽度按正弦规律变化的PWM波形，称为正弦波脉宽调制。

SPWM脉冲系列中，各脉冲的宽度以及相互间的间隔宽度是由正弦波(基准波或调制波)和等腰三角波(载波)的交点来决定的。图7 为一典型SPWM控制方法。

17 PWM 和PAM 的不同点是什么

答：PWM 是英文Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制)缩写，按一定规律改变脉冲序列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调制方式。

PAM 是英文Pulse Amplitude Modulation(脉冲幅度调制)缩写，是按一定规律改变脉冲序列的脉冲幅度，以调节输出量和波形的一种调制方式。

18 载波频率对电动机的运行有什么影响

答：提高载波频率的好处如下。

1)改善电流波形适当提高载波频率，可以改善电流波形，如下图愿(a)所示。

2) 减小电磁噪声产生电磁噪声的原因是：与载波频率相同的谐波电流使定子铁心的硅钢片中产生涡流，各硅钢片的涡流之间产生相互作用力，导致铁心振动而发出噪声，电磁噪声的频率与载波频率相同。如果载波频率处于人耳的敏感频率区，电磁噪声就比较“大”(人的听觉上比较敏感)。

适当提高载波频率，可减小甚至消除噪声(实际上只是人耳“听”不到罢了)。

提高载波频率的缺点如下。

1) 变频器的输出电压减小变频器的逆变桥中，上下两个逆变管是在不停地交替导通的，其线电压波形如图愿(b)所示。为了保证只有在一个逆变管完全截止的情况下，另一个逆变管才开始导通，在交替导通过程中必须有一个死区吟t(等待时间)，如下图愿(c)所示。由于死区实际上不是工作区，所以，载波频率越高，则每个周期中死区的累计值(不工作区)越大，变频器输出电压的平均值越低。在负载转矩相同的情况下，电动机的电流偏大。

2)使距离较远的电动机运行不正常当电动机与变频器之间的距离较远时，则载波频率越高，由线路的分布电容和分布电感引起的不良效应(如电动机侧电压升高、电动机振动等)越大。

猿)对其他设备的干扰增大载波频率越高，高频电磁场的辐射能量越大，对其他设备的干扰就越严重。

19 什么是V/f控制为什么要采取V/f 控制而不是只控制V 或者f

答：V/f控制方式是保证变频器输出电压和频率比值一定的控制方式。

20 为什么变频器要设置许多U/f 线供用户选择

答：这是因为负载不同，低速特性不同。不同的负载在低速运行时的阻转矩大小是不一样的，举例如下。

员)恒转矩负载特点不论转速高低，负载的阻转矩都不变。例如带式输送机，要求低频时电动机的转矩等于额定转矩。如图怨(a)所示。这就要求电动机在低频运行时，也能产生较大的转矩，U/f比应该大一些，如图10 中之B 点所示，当频率为fxt时，将电压提升到Ux2。

圆)分段负载有些负载满载运行时虽然阻转矩较大，但满载时的调速范围不大。例如离心浇铸机，必须具有一定转速时，才能把铁水(或钢水)灌入，进行浇铸，负载的阻转矩较大。但重载时的调速范围不大，由于低速时没有铁水(或钢水)，处于轻载运行状态，如图怨(b)所示。电动机在低频运行时，并不需要产生太大的转矩，U/f 比也可以小一些，如图10 中之A 点所示,当频率为fx1时，电压为Ux1就足够了。

3)二次方律负载以离心式风机为例，负载的机械特性如图怨(c)所示，低速运行时，负载的阻转矩很小。电动机在低频运行时，所需转矩很小，U/f比也应该更小一些，如图10 中之C 点所示，当频率为fx1，应把电压降为Ux3。

上述例子说明，不同的负载在低频运行时对U/f 比的要求也是不一样的。为此，各种变频器都设置了许多种U/f 线，供用户根据负载的具体要求来进行预置。在诸多U/f线中，图10和图11(a)中的曲线淤是电压与频率成正比地变化的U/f线，称为基本U/f线。其特点是：UX/fx=const(ku=kf)，如要加大低频时的带负载能力，须在基本U/f 线的基础上加大U/f比，使ku 跃kf ，称为转矩补偿或转矩提升。各种变频器都设置了许多条补偿程度不同的U/f线，供用户选择。大致有以下几种方式：