高壓變頻器
發(fā)布時(shí)間：2009-09-22 來源：揚(yáng)子工具集團(tuán) 瀏覽次數(shù):40522該電路的其它特性如下：
輸入電流有效值 d I 2.351I 1 =
輸入電流總畸變率 THDi = 0.1011
位移因數(shù)cosϕ cosα 1 =
基波因數(shù) ( 2) 0.9949 1 1 ν = A I =
功率因數(shù) λ ν cosϕ 0.9949cosα 1 = =
所以，通過兩個(gè)相角差30°的變壓器繞組分別供電的兩個(gè)三相整流電路可構(gòu)成12
脈沖整流電路，其網(wǎng)側(cè)電流僅含12k ±1次諧波，類似地，通過依次相差20°的三個(gè)變
壓器繞組分別供電給三個(gè)三相整流橋就可獲得18 脈沖整流電路，其網(wǎng)側(cè)電流僅含
18k ±1次諧波；通過依次相差15°的四個(gè)變壓器繞組分別供電給四個(gè)三相整流橋就可
獲得24脈沖整流電路，其網(wǎng)側(cè)電流僅含24k ±1次諧波；通過依次相差12°的五個(gè)變壓
器繞組分別供電給五個(gè)三相整流橋就可獲得30 脈沖整流電路，其網(wǎng)側(cè)電流僅含
30k ±1次諧波。
作為一般規(guī)律，以m個(gè)相位依次相差π 3m的變壓器繞組分別供電給m個(gè)三相整
流橋就可獲得6m脈沖整流電路，其網(wǎng)側(cè)電流僅含6mk ±1次諧波，而且各次諧波的有
效值與其諧波次數(shù)成反比，而與基波有效值的比值是諧波次數(shù)的倒數(shù)。另外，其位移
功率因數(shù)均為cosα ，不隨整流脈沖數(shù)的增加而提高，但基波因數(shù)隨著整流脈沖數(shù)的提
高而提高，所以總體輸入功率因數(shù)也跟著提高。對(duì)于二極管不可控整流電路而言，相
電流相對(duì)于相電壓的滯后角α 一般小于15°，對(duì)應(yīng)的位移功率因數(shù)大于0.966，所以采
用多重化(18 脈沖以上)的二極管整流電路，輸入功率因數(shù)基本上保持在0.95 以上。
3.3 多電平移相式PWM 控制
功率單元結(jié)構(gòu)如圖22c 所示，變壓器二次繞組經(jīng)過熔斷器，到三相二極管
整流橋的輸入側(cè)，整流后經(jīng)濾波電容濾波形成直流母線電壓，由于輸入變壓器阻抗設(shè)
計(jì)較大，所以直流環(huán)節(jié)不必設(shè)置低壓變頻器那樣的預(yù)充電限流電阻。當(dāng)功率單元額定
電壓為690V 時(shí)，直流母線電壓為900V 左右。逆變器由4 個(gè)耐壓為1700V 的IGBT 模塊
組成H 橋式單相逆變電路，通過PWM 控制，在T1 和T2 兩端得到變壓變頻的交流輸
出，輸出電壓為單相交流0-690V，頻率0-50HZ(根據(jù)電機(jī)的額定頻率，可以相應(yīng)調(diào)
整，最高達(dá)120HZ)。對(duì)于額定電壓為480V 的功率單元，直流母線電壓為600V 左右，
可采用1200V 的IGBT 模塊。對(duì)于額定電壓為1275V 的功率單元，直流母線電壓為
1800V 左右，可采用3300V 的IGBT 模塊。
根據(jù)功率單元逆變電路結(jié)構(gòu)可知，每個(gè)功率單元存在4 種不同的開關(guān)組合：Q1 和
Q4 同時(shí)導(dǎo)通，T1，T2 之間輸出正的直流母線電壓，Q2 和Q3 同時(shí)導(dǎo)通，輸出負(fù)的直流
母線電壓，Q1 和Q3 同時(shí)導(dǎo)通，或者Q2 和Q4 同時(shí)導(dǎo)通，輸出電壓為0。所以，4 種不
同的開關(guān)狀態(tài)，輸出3 種不同的電平，分別為+VDC，0 和-VDC。實(shí)際上，為了防止同
一橋臂上下管子同時(shí)導(dǎo)通，必須設(shè)定互鎖延時(shí)，即存在一定的死區(qū)時(shí)間，在死區(qū)時(shí)間
內(nèi)，上下橋臂IGBT 均處于截止?fàn)顟B(tài)，輸出電壓由輸出電流的方向決定(電流方向決定
電流流經(jīng)哪個(gè)續(xù)流二極管，從而決定輸出電壓極性)，嚴(yán)格來說，此時(shí)輸出電壓處于不
可控狀態(tài)，當(dāng)然也不外乎上述三種電平。由于單元內(nèi)PWM 的載波頻率較低，所以死區(qū)
電壓引起的誤差占的比例很小，可以忽略不計(jì)，不必采用象低壓變頻器那樣的死區(qū)電
壓誤差補(bǔ)償電路。
對(duì)于2300V 電壓等級(jí)的變頻器，每相由三個(gè)功率單元串聯(lián)而成，串聯(lián)而成的相電
壓共有7 個(gè)不同的電平：0，±VDC，±2VDC，±3VDC。對(duì)于6KV 電壓等級(jí)的變頻器，則
有0，±VDC，±2VDC，±3VDC，±4VDC，±5VDC 共11 種電平，而對(duì)應(yīng)的線電壓則有21 個(gè)
電平，如圖29 所示。而一般的三電平變頻器輸出相電壓僅有3 種電平。輸出電壓電平
數(shù)越多，輸出電壓波形越接近正弦波。
圖29 6KV 單元串聯(lián)多電平變頻器輸出線電壓電平
在PWM 調(diào)制時(shí)，采取移相式PWM，同一相中各串聯(lián)功率單元的載波信號(hào)錯(cuò)開一定
的電角度，使得迭加以后輸出電壓的等效開關(guān)頻率大大增加。對(duì)于6KV 的變頻器，當(dāng)
每個(gè)單元的PWM 載波頻率為600HZ 時(shí)，輸出相電壓的等效開關(guān)頻率為6KHZ，輸出波形
等效開關(guān)頻率的提高，有助于改善輸出電壓波形，降低電流諧波。由圖24 所示的輸出
電壓和電流波形可知，電流波形的正弦度非常高。輸出電壓的諧波分量中，低次諧波
含量很小，諧波主要集中在與輸出等效開關(guān)頻率對(duì)應(yīng)的高頻范圍。圖30 顯示了6KV 變
頻器在滿載時(shí)的輸出電壓頻譜，諧波主要集中在6KHZ 左右范圍內(nèi)，且都在-25DB 以
下。從基波到4500HZ 的頻率范圍內(nèi)，諧波幅值都在-45DB 以下。電機(jī)繞組電感的感抗
與頻率成正比，所以高次諧波電壓很難形成諧波電流，電感本身起到了很好的低通濾
波作用，輸出總諧波電流失真基本在1%以內(nèi)。
圖30 單元串聯(lián)多電平變頻器輸出電壓頻譜
下面以2300V 電壓等級(jí)的變頻器為例，分析多電平PWM 控制原理。
由于每相由3 個(gè)功率單元串聯(lián)而成，根據(jù)圖31，采用3 對(duì)(每對(duì)含正反相信號(hào))依
次相移為120°的三角載波和參考波進(jìn)行調(diào)制，參考波由主控系統(tǒng)給出。RU 表示U 相的
參考波形，載波頻率為600HZ，當(dāng)輸出參考波頻率為60HZ 時(shí)，每個(gè)參考波周期內(nèi)剛好
有10 個(gè)載波波形。L1 為RU 與第一個(gè)載波(無相移)比較結(jié)果，當(dāng)RU 大于載波時(shí)，L1
為高電平，RU 小于載波時(shí)，L1 為低電平。L1 用來控制U 相第一功率單元中左橋臂
IGBT Q1，Q2 的通斷，L1 為高電平時(shí)，Q1 導(dǎo)通，Q2 截止，T1 為正直流母線電位，L1
為低電平時(shí)，Q1 截止，Q2 導(dǎo)通，T1 為負(fù)直流母線電位。RU 和第一個(gè)載波的反向信號(hào)
比較產(chǎn)生的R1 用于控制Q3，Q4 的通斷，當(dāng)RU 大于反向載波時(shí)，R1 為低電平，反
之，R1 為高電平。R1 為高電平時(shí)，Q3 導(dǎo)通，Q4 關(guān)斷，反之亦然。由此可決定輸出電
壓波形，實(shí)際上，L1 與R1 之差，就代表了輸出端T1 與T2 之間的電壓波形，也即U
相第一單元的輸出電壓uU1。uU1具 有0，+VDC 和-VDC 三種電平。根據(jù)同樣道理，uU2和
uU3 分別表示U 相的第二和第三功率單元的輸出電壓波形，它們是用移相120°和240°的
兩對(duì)載波分別和U 相參考波RU 比較的結(jié)果。 uU1, uU2 和 uU3 串聯(lián)相加，即得到U 相的
相電壓輸出波形 uUN， uUN 有7 個(gè)不同的電平。
圖31 U 相電壓形成
V 相和W 相的調(diào)制采用同樣的原理，只是參考波RV，RW 依次相移120°。 uUN與
uVN 之差，形成電機(jī)線電壓uUV。應(yīng)該注意的是uUV是U 相對(duì)單元串接后形成的中心點(diǎn)N
的電壓，而不是對(duì)電機(jī)中心點(diǎn)的電機(jī)相電壓。
圖32 UV 線電壓形成
改變參考波的幅值和頻率，即可實(shí)現(xiàn)變壓變頻的高壓輸出。實(shí)際上，為了提高電
壓利用率，參考波并非嚴(yán)格的正弦波，而且是注入一定的諧波(比如三次諧波)，成為
“馬鞍形”的波形(圖33)，以降低參考波峰值，而三次諧波電壓是共模電壓，電機(jī)內(nèi)
部不會(huì)產(chǎn)生電流，所以不會(huì)影響電機(jī)的運(yùn)行。
圖33 馬鞍形參考電壓
對(duì)于3300V 電壓等級(jí)的變頻器，每相由4 個(gè)功率單元串聯(lián)而成，采用4 對(duì)依次相
移為90°的三角載波和參考波進(jìn)行調(diào)制。對(duì)于電壓等級(jí)為4160，6KV 和10KV 的變頻
器，則采用5 對(duì)依次相移為72°的三角載波。
功率單元旁路技術(shù)，是在每個(gè)功率單元輸出端T1，T2 之間并聯(lián)一個(gè)雙向SCR(或
反并聯(lián)2 個(gè)SCR)，當(dāng)功率單元發(fā)生故障時(shí)，封鎖對(duì)應(yīng)功率單元IGBT 的觸發(fā)信號(hào)，然
后讓SCR 導(dǎo)通，保證電機(jī)電流能流過，仍形成通路。當(dāng)然，為了保證三相輸出電壓對(duì)
稱，在旁路故障功率單元的同時(shí)，另外二相對(duì)應(yīng)的二個(gè)功率單元也同時(shí)旁路。對(duì)于
6KV 的變頻器而言，每相由5 個(gè)功率單元串聯(lián)而成，當(dāng)每相1 個(gè)單元被旁路后，每相
剩下4 個(gè)功率單元，輸出最高電壓為額定電壓的80%，輸出電流仍可達(dá)到100%，這
樣，輸出功率仍可達(dá)80%左右，對(duì)于風(fēng)機(jī)，水泵等平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載而言，轉(zhuǎn)速仍可達(dá)92%
以上，基本能維持生產(chǎn)要求，大大提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。然后可以在生產(chǎn)允許的條
件下，有準(zhǔn)備地停止變頻器，更換新的功率單元或?qū)卧M(jìn)行維修。如果負(fù)載十分重
要，還可以進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，安裝備用功率單元。例如，對(duì)6KV 的變頻器，本來每相由
5 個(gè)功率單元串聯(lián)而成，現(xiàn)可以設(shè)計(jì)成每相6 個(gè)功率單元串聯(lián)，正常工作時(shí)，每個(gè)單
元輸出電壓僅為原來的5/6，如果出現(xiàn)功率單元故障，一組單元(每相各一個(gè))被旁路
后，單元的輸出電壓恢復(fù)正常，總的輸出電壓仍可達(dá)到100%，變頻器還能滿載運(yùn)行。
在高性能控制策略方面，國(guó)際先進(jìn)廠家已采用無速度傳感器矢量控制和速度閉
環(huán)矢量控制。能驅(qū)動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)和多繞組電動(dòng)機(jī)。能實(shí)現(xiàn)變頻驅(qū)動(dòng)和電網(wǎng)直接驅(qū)動(dòng)
的無擾切換（同步切換）。國(guó)內(nèi)目前大部分產(chǎn)品為V/F 控制。上海艾帕電力電子有
限公司已在國(guó)內(nèi)率先開發(fā)成功無速度傳感器矢量控制高壓變頻器，可達(dá)到的技術(shù)指
標(biāo)為：調(diào)速范圍100:1，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速精度0.5%，轉(zhuǎn)矩線性度7%，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)
750rad/s，轉(zhuǎn)速響應(yīng)30rad/s。綜合性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
4 高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)及電機(jī)的影響
4.1 高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響
本節(jié)主要從使用高壓變頻器后對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，功率因數(shù)的影響等方面討論高
壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響。變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響主要取決于變頻器整流電路的結(jié)構(gòu)和特
性。
4.1.1 高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的諧波污染
近年來，高壓變頻器的應(yīng)用越來越廣泛，由于高壓變頻器容量一般較大，占整個(gè)
電網(wǎng)的比重較為顯著，所以高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的諧波污染問題已經(jīng)不容忽視。許多場(chǎng)
合由于采用了輸入諧波電流較高的變頻器，產(chǎn)生了嚴(yán)重的諧波污染問題。從本質(zhì)上而
言，任何高壓變頻器或多或少會(huì)產(chǎn)生諧波污染，只是程度不同而已。解決諧波污染的
辦法有二種：一是采取諧波濾波器，對(duì)高壓變頻器產(chǎn)生的諧波進(jìn)行治理，以達(dá)到供電
部門的要求，也即通常所說的“先污染，后治理”的辦法，二是采用產(chǎn)生諧波電流較
小的變頻器，變頻器本身基本上不對(duì)電網(wǎng)造成諧波污染，即所謂的“綠色”電力電子
產(chǎn)品，從本質(zhì)上解決諧波污染問題。國(guó)際上對(duì)電網(wǎng)諧波污染控制的標(biāo)準(zhǔn)中，應(yīng)用較為
普遍的是IEEE519 -1992，我國(guó)也有相應(yīng)的諧波控制標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用較為廣泛的是國(guó)標(biāo)
GB/T14549-93 《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》。
圖34 為電流源型變頻器中常用的6 脈沖晶閘管電流源型整流電路結(jié)構(gòu)。圖35 為
該電路典型的輸入波形，輸入電流中含有很高的諧波分量，輸入電流的5 次諧波可達(dá)
20%，7 次諧波可達(dá)12%(圖38)。由于晶閘管的快速換相，還會(huì)產(chǎn)生一定的高次諧波
(相對(duì)二極管整流電路而言)，可達(dá)35 次以上，高次諧波會(huì)對(duì)電話等通信線路產(chǎn)生一定
的干擾。整流電路總的諧波電流失真約為30%，所以一般要設(shè)置輸入諧波濾波器。濾
波器體積龐大，且影響系統(tǒng)的效率，額外增加投資，濾波器的設(shè)計(jì)與電網(wǎng)參數(shù)和負(fù)載
工況都有關(guān)系，一旦參數(shù)和工況發(fā)生變化，濾波器又得重新調(diào)整，十分不便，且影響
濾波效果。
圖34 6 脈沖晶閘管整流電路
圖35 6 脈沖晶閘管整流電路輸入波形
在圖36 中，整流器由二組晶閘管整流橋串聯(lián)而成，分別由輸入變壓器的二組副
邊(星型和三角形，互差30°電角度)供電。如變壓器的二次側(cè)交流電壓為2000V 時(shí)，
每組整流橋能產(chǎn)生最高2800V 左右的直流電壓，二組整流橋串聯(lián)后直流電壓約為
5600V。在每組整流橋中可以采用單個(gè)額定電壓為5KV 的晶閘管，避免了器件的直接串
聯(lián)，這是12 脈沖整流電路帶來的一大優(yōu)點(diǎn)。這種整流電路的另一優(yōu)點(diǎn)是把整流電路的
脈沖數(shù)由6 提高到12，從而大大改善了輸入電流波形(圖37)，降低了輸入諧波電流，
總諧波電流失真約為10%左右(圖38)。雖然12 脈沖整流電路的諧波電流比6 脈沖結(jié)構(gòu)
大大下降，但還不能達(dá)到IEEE519-1992 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的在電網(wǎng)短路電流小于20 倍負(fù)載電
流時(shí)總諧波電流失真小于5%的要求。因此，一般也要安裝諧波濾波裝置。12 脈沖結(jié)構(gòu)
時(shí)采用的輸入變壓器還可起到承受變頻器產(chǎn)生的絕大部分共模電壓的作用，使電機(jī)絕
緣不受影響。當(dāng)然，變壓器在設(shè)計(jì)時(shí)也要考慮能夠承受原邊和副邊的諧波電流。
圖36 12 脈沖晶閘管整流電路
圖37 12 脈沖晶閘管整流電路輸入波形
圖38 晶閘管整流電路的輸入諧波電流
在電流源型變頻器中，一般利用電流環(huán)通過調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角，進(jìn)一步調(diào)節(jié)直
流整流電壓來實(shí)現(xiàn)對(duì)直流環(huán)節(jié)電流的閉環(huán)控制，當(dāng)濾波電抗器較小時(shí)，電流脈動(dòng)增
加，電流環(huán)的控制作用會(huì)惡化，各個(gè)晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間會(huì)不一致，這種情況下還會(huì)產(chǎn)
生不規(guī)則的諧波分量。
圖39 顯示了另一種整流電路結(jié)構(gòu)，整流電路由2 組6 脈沖的二極管整流橋
串聯(lián)而成，采用大電容進(jìn)行濾波，形成電壓源型整流電路結(jié)構(gòu)。
二極管目前工業(yè)應(yīng)用最高電壓為6000 左右，二極管的正向壓降很低，6000V，
3700A 的二極管，正向壓降可低到1.7V。電網(wǎng)電壓較高時(shí)，可采用二極管串聯(lián)。也可
采用圖39 所示的整流橋串聯(lián)，在實(shí)現(xiàn)多重化同時(shí)，避免器件直接串聯(lián)。
在整流橋輸出和濾波電容之間可以串入直流電抗器，這樣可以減少輸入電流的諧
波分量，然而也會(huì)帶來弊端，影響濾波電容對(duì)變壓器輸入浪涌電壓的吸收效果。由于
整流后直流電壓基本保持恒定，所以輸出側(cè)逆變器必須采用PWM 控制。二極管整流電
路的輸入諧波電流取決于電網(wǎng)側(cè)阻抗和直流電抗器的大小。由于采用二極管不可控整
流，換流在對(duì)應(yīng)線電壓最小時(shí)發(fā)生，導(dǎo)致di/dt 非常小，尤其當(dāng)電源側(cè)阻抗較大時(shí)，
換流更加緩慢，使高次諧波電流相對(duì)于晶閘管整流電路大大降低。圖40 顯示了12 脈
沖二極管整流電路典型的輸入波形。圖41 顯示了在5%阻抗源的情況下，6 脈沖和12
脈沖二極管整流電路的輸入諧波電流。為了滿足IEEE519-1992 對(duì)應(yīng)的5%的諧波電流
失真的要求，6 脈沖結(jié)構(gòu)需要設(shè)置諧波濾波器。由于二極管整流電路的諧波分量隨著
諧波次數(shù)的增加急劇下降，所以采用12 脈沖整流結(jié)構(gòu)后，二極管整流電路的諧波失真
會(huì)大大降低，可接近7%左右。
圖39 12 脈沖二極管整流電路
圖40 12 脈沖二極管整流電路輸入波形
圖41 二極管整流電路輸入諧波電流
晶閘管整流電路和二極管整流電路除了6 脈沖結(jié)構(gòu)和12 脈沖結(jié)構(gòu)外，還可以采
取更高脈沖數(shù)的結(jié)構(gòu)，如18 脈沖，24 脈沖，輸入諧波也會(huì)隨著降低，但會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)
結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本增加。
大多數(shù)PWM 電壓源型變頻器都采用二極管整流電路，如果整流電路也采用PWM 控
制，則可以做到輸入電流基本為正弦波，諧波電流很低。當(dāng)然系統(tǒng)的復(fù)雜和成本也大
大增加了。
單元串聯(lián)多電平變頻器采用多重化結(jié)構(gòu)，輸入脈沖數(shù)很高。比如6KV 電壓等級(jí)的
變頻器，輸入為30 脈沖整流結(jié)構(gòu)，總的諧波電流失真可低于1%，不加任何濾波器就
可以滿足電網(wǎng)對(duì)諧波失真的要求。
4.1.2 高壓變頻器的輸入功率因數(shù)
在晶閘管電流源型整流電路中，中間直流環(huán)節(jié)的電壓正比于電機(jī)線電壓額定值乘
以運(yùn)行點(diǎn)電機(jī)實(shí)際的功率因數(shù)，再乘以轉(zhuǎn)速百分比。所以直流環(huán)節(jié)電壓會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的
下降而很快降低，整流電路晶閘管的觸發(fā)角必須后移，這樣導(dǎo)致輸入功率因數(shù)很快下
降。另一個(gè)解釋是，由于電流源型變頻器的整流器電流和逆變器電流一般相等，負(fù)載
所需的無功電流會(huì)直接“反射”到電網(wǎng)，導(dǎo)致輸入功率因數(shù)較低。
也可以從能量轉(zhuǎn)換角度來分析這個(gè)問題。
根據(jù)變頻器輸入，輸出功率關(guān)系，有in in in out out out U I cosϕ η =U I cosϕ ,
對(duì)電流源型變頻器，一般in out I = I ,所以
in out in out nom out cosϕ =U /U η cosϕ = f / f η cosϕ
可見普通電流源型變頻器的輸入功率因數(shù)較低，且會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的下降而跟著線性
下降，為了解決輸入功率因數(shù)較低的問題，往往需要設(shè)置功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，同時(shí)也
起到消除部分諧波電流的作用。功率因數(shù)補(bǔ)償裝置既增加成本和體積，又降低了系統(tǒng)
的效率和可靠性。在使用電流源型變頻器的場(chǎng)合，由于存在諧波，在一定的參數(shù)配合
下，功率因數(shù)補(bǔ)償電容可能引起并聯(lián)諧振現(xiàn)象，危及電容器本身和附近電氣設(shè)備的安
全，因此，并聯(lián)電容組的設(shè)計(jì)中必須考慮諧波放大問題，通�？刹扇”荛_諧振點(diǎn)的方
法，即無論是集中補(bǔ)償和分散就地補(bǔ)償?shù)碾娙萜鹘M均要串聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娍蛊鳌?br />
二極管整流電路在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)都有較高的功率因數(shù)，基波功率因數(shù)一般可保
持在0.96 以上(這是指位移因數(shù)，或稱基波功率因數(shù)，實(shí)際功率因數(shù)由于諧波的存
在，還必須再乘以基波因數(shù)，會(huì)有所下降)，一般也不必設(shè)置功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。由于
直流環(huán)節(jié)濾波電容的存在，負(fù)載所需的無功電流可以在逆變器功率器件的開關(guān)周期內(nèi)
通過續(xù)流二極管瞬時(shí)由濾波電容提供，所以一般不會(huì)反映到整流器輸入側(cè)，導(dǎo)致輸入
功率因數(shù)較高。由于輸入功率因數(shù)較高，輸入變壓器和整流器所需處理的電流下降，
有利于提高系統(tǒng)的整體效率。
采用全控型電力電子器件構(gòu)成的PWM 型整流電路，其功率因數(shù)可調(diào)，可以做到接
近為1，根據(jù)要求，也可做成超前的功率因數(shù)，對(duì)電網(wǎng)起到部分無功補(bǔ)償?shù)淖饔谩?br />
單元串聯(lián)多電平PWM 變頻器功率因數(shù)較高，實(shí)際功率因數(shù)在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)可達(dá)
到0.95 以上。
總之，采用晶閘管整流的電流源型變頻器(包括6 脈沖結(jié)構(gòu)和12 脈沖結(jié)構(gòu))有較
大的輸入諧波電流，一般要設(shè)置輸入諧波濾波器以滿足電網(wǎng)諧波失真的要求，或者采
取更高輸入脈沖數(shù)的結(jié)構(gòu)。其輸入功率因較低，且會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的下降而降低，一般都
要設(shè)置功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。二極管整流的電壓源型變頻器在6 脈沖輸入結(jié)構(gòu)時(shí)，輸入
諧波電流較大，需要采取濾波措施，12 脈沖結(jié)構(gòu)時(shí)，諧波電流失真接近標(biāo)準(zhǔn)要求，在
要求不是很高的場(chǎng)合可以直接使用。其輸入功率因數(shù)較高，一般不必采用功率因數(shù)補(bǔ)
償裝置。采用全控型電力電子器件的PWM 型整流電路，輸入諧波很低，功率因數(shù)可
調(diào)，不必采取諧波濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，屬于“綠色”電力電子產(chǎn)品，但由于
其成本相對(duì)較高，應(yīng)用受到限制。單元串聯(lián)多電平PWM 變頻器輸入諧波電流很低，功
率因數(shù)較高，也屬于“綠色”電力電子產(chǎn)品，具有較大的應(yīng)用前景。
4.2 高壓變頻器對(duì)電機(jī)的影響
本節(jié)主要從高壓變頻器輸出諧波引起諧波發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，輸出dv/dt，共模電
壓，噪聲等方面討論高壓變頻器對(duì)電機(jī)的影響及解決辦法，以及變頻專用電機(jī)的設(shè)計(jì)
要點(diǎn)。高壓變頻器輸出對(duì)電機(jī)的影響主要取決于逆變電路的結(jié)構(gòu)和特性。美國(guó)的NEMA
標(biāo)準(zhǔn) MGI-1993 中對(duì)電機(jī)諧波發(fā)熱，dv/dt 和共模電壓等方面有相應(yīng)的規(guī)定。
4.2.1 輸出諧波對(duì)電機(jī)的影響
輸出諧波對(duì)電機(jī)的影響主要有：諧波引起電機(jī)附加發(fā)熱，導(dǎo)致電機(jī)的額外溫升，
電機(jī)往往要降額使用。由于輸出波形失真，增加電機(jī)的重復(fù)峰值電壓，影響電機(jī)絕
緣，諧波還會(huì)引起電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，噪音增加。
高次諧波引起的損耗增加主要表現(xiàn)在定子銅耗，轉(zhuǎn)子銅耗，鐵耗及附加損耗的增
加。其中影響最為顯著的是轉(zhuǎn)子銅耗，因?yàn)殡姍C(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1 的狀態(tài)旋轉(zhuǎn)，所以轉(zhuǎn)子銅
耗較大，而且在這種狀態(tài)下，除了直流電阻引起的銅耗外，還必須考慮由于集膚效應(yīng)
所產(chǎn)生的實(shí)際阻抗增加而引起的銅耗。
普通的電流源型變頻器輸出電流波形和輸入電流波形極為相似，都是120°的方
波，含有豐富的諧波成分，總諧波電流失真可達(dá)到30%左右。為了降低輸出諧波，也
有采用輸出12 脈沖方案或設(shè)置輸出濾波器，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。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
的濾波作用，所以速度較高時(shí)，電機(jī)電流波形有所改善。GTO-PWM 電流源型變頻器輸
出電流質(zhì)量的提高主要通過GTO 采用諧波消除的電流PWM 開關(guān)模式來實(shí)現(xiàn)，但受到
GTO 開關(guān)頻率上限的限制。
三電平變頻器與普通的二電平PWM 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，提高了輸出電壓諧波消除算法的自由度，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 變頻器有較大的提高，但輸出電壓諧波失真仍
達(dá)29%，電機(jī)電流諧波失真達(dá)17%，必須采取專用電機(jī)，如要采用普通電機(jī)，必須設(shè)置
輸出濾波器。
對(duì)于單元串聯(lián)多電平變頻器，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7%，大大低于普通的電流源型變頻器和三電平變頻器，而且，由于采用了多
電平移相式PWM 控制，輸出諧波的頻率主要集中在4.5-7.5KHZ 范圍內(nèi)，且都低于
5%。對(duì)于一般的異步電機(jī)，工頻時(shí)阻抗為16%左右，所以對(duì)于5KHZ 的諧波而言，其阻
抗約為1600%，所以產(chǎn)生的各次諧波電流均小于0.3%，符合MGI-1993 小于1%的要
求，電機(jī)基本不會(huì)產(chǎn)生附加的諧波發(fā)熱，噪音和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，所以不必設(shè)置輸出濾波
器，可以直接使用普通的異步電機(jī)。
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