（电力系统及其自动化专业论文）变频驱动控制及其对电机作用的研究.pdf

华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 摘要 高压变频器的应用给电机的运行带来了一些负面影响。 在高压变频器出现严重过 流故障时， 通常采用封锁脉冲的方法来保护功率器件。 本文分析了高压变频器两种不同 的脉冲封锁方式及其对电机运行的不同影响， 提出了一种新的脉冲封锁方式。文中给出 了高压变频器模型机的实测波形及 ma t l a b仿真结果，验证了理论分析的正确性和新 的脉冲封锁方式的有效性。 单元串联多电平高压变频器的输出电压有很多的高次谐波。本文通过对典型的多 电平 p wm 逆变电路的 ma t l a b仿真计算，得到了输出线电压的波形和频谱特性， 结合理论分析，总结出了典型多电平p wm逆变电路谐波的基本特性，同时还从理论 上分析了谐波对电机的影响，给出了一些改善变频器对电机运行的不利影响的方法。 关键词:高压变频器，脉冲封锁，p wm， 电机，谐波 abs tract s o m e n e g a t i v e e f f e c t i s b r o u g h t t o t h e m o t o r b e c a u s e o f t h e a p p l i c a t i o n o f h i g h v o l t a g e a d j u s t a b l e s p e e d d e v i c e ( a s d ) . p u l s e l a t c h i n g i s u s u a l l y u s e d t o p r o t e c t t h e p o w e r e l e c t r o n i c d e v i c e w h e n a h i g h v o l t a g e a s d o c c u r s o v e r - c u r r e n t f a u l t . t w o d i f f e r e n t p u l s e l a t c h i n g m e t h o d s o f h i g h v o l t a g e a s d a n d t h e i r d i f f e r e n t e f f e c t o n a m o t o r a r e a n a ly z e d i n t h i s p a p e r , a n d a l s o a n e w p u l s e l a t c h i n g m e t h o d i s p u t f o r w a r d . e x p e r i me n t v o l t a g e w a v e a n d ma t l a b s i m u l a t i o n r e s u l t o f t h e m o d e l h i g h v o l t a g e a s d a r e g i v e n i n t h e p r e s e n t p a p e r , t h e o ry a n a l y s i s a n d a n e w e f f e c t i v e p u l s e l a t c h i n g m e t h o d i s v e r i f i e d . t h e o u t p u t v o l t a g e o f m u l t i l e v e l h i g h v o l t a g e a s d h a s m u c h h a r mo n i c s . l i n e v o l t a g e w a v e a n d f r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c c a n b e s h o w e d f r o m ma t l a b s i mu l a t i o n o f r e p r e s e n t a t i v e p wm m u l t i l e v e l i n v e r t e r c i r c u i t . t h e b a s i c h a r mo n i c s c h a r a c t e r i s t i c o f r e p r e s e n t a t i v e m u l t i l e v e l p wm i n v e r t e r c i r c u i t i s s u m ma r i z e d ; t h e e f f e c t o f h a r mo n i c s o n m o t o r i s a n a l y z e d t o o . f i n a l l y s o m e m e t h o d s o f i m p r o v i n g t h e n e g a t i v e e f f e c t c a u s e d b y t h e a p p l i c a t i o n o f a s d a r e p r o p o s e d i n t h e p r e s e n t p a p e r . c h e n z h i g e n ( e l e c t r i c e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e d b y p r o f . h a n mi n x i a o k e y wo r d s : h i g h v o l t a g e a s d , p u l s e l a t c h i n g , p wm, m o t o r , h a r m o n i c r 7 1 3 1 5 5 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 声明 本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文 变频驱动控制及其对电机作用的研 究 ，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。 据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 己 经发表或撰写过的 研究成果， 也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名:日 期: 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电 力大学有关保留、 使用学位论文的规定， 即: 学校有权保管、 并向 有关部门送交学位论文的原件与复印件; 学校可以采用影印、 缩印或其它复制手 段复 制并保存学位论文; 学校可允许学位论文被查阅或借阅; 学校可以 学术交流为 目 的 ， 复制赠送和交换学位论文; 同意学校可以 用不同方式在不同 媒体上发表、 传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名:导师签名: 日期:日期: 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 第一章:绪论 1 . 1 电动机的广泛应用 电动机将电能转化为机械能，用来驱动各种用途的生产机械。电动机是支撑国民 经济发展的主要动力基础元件，广泛应用于工业、农业、国防、交通、公用设施等各 个领域。 据国家 电动机调速技术产业化途径与对策的研究的报告，我国发电总量的 6 6 %消耗在电动机上，截止到 1 9 9 9年底，我国具有各类风机约 7 8 0万台，水泵 4 . 0 0 0万台，空压机 5 6 0万台，这些装置又占去了电机耗电的一半以上。据统计: 低压电机 ( 6 9 0 v以下)的数量是高压的几十倍，但所消耗的电能仅为高压的八分之 一左右。截止到 1 9 9 9年底，我国3 k v以上高压电机的总容量是 1 . 4 4亿 k w，每年 以5 0 0 - 6 0 0万k w 的速度在增长，随着我国现代化建设的不断发展，电动机的应用 将会越来越广泛m。 1 . 2 变频调速技术在我国的发展 根据国家发改委的全面统计调查，我国发电量的 6 0 %- 7 0 %用于推动电动机做 功，其中 9 0 %是交流电动机，大部分为直接拖动。由于采用直接恒速拖动，每年造 成大量的能源浪费。如占工业用电负荷 3 0 %以上的各类风机、泵类负载约 5 0 0 0万 台， 1 . 8亿千瓦。由于此类负载工况变化大， 如采用交流变频调速技术实现变速运行， 节能效果相当明显。以 平均节电2 0 %计算， 对全国来说每年节电7 0 0 亿度， 相当于 2 0 0 0万k w 发电站的年发电量，与 “ 十五”期间我国一年新建火力发电机组的装机 容量相当。可以节约几百亿元的电力建设投资，同时可以相应减少 2 7 7 0 0力吨发电 用煤、7 0万吨二氧化硫和 1 5 0 0万吨二氧化碳的污染排放。 近年来，交流调速技术在风机、水泵及其他领域得到了一定的推广应用，6 9 0 v 以下的低压变频器已大量使用。但在工业领域，高压大功率风机、水泵占主要地位， 例如:钢铁工业的高炉鼓风机、除尘风机、制氧机;石油生产用的注水泵;电力工业 的给水泵、凝结水泵、排渣泵、引风机、 送风机;煤矿的排水泵、主扇;大中型城市 自来水厂的供水泵等，驱动电机都是高压大功率交流电动机，占全国电机负载的 7 0 %。 这些设备由于缺少调速手段， 每天都在大量地浪费电能。因此， 开发高压大功 率变频器及迅速实现产业化，对于我国工业降低单产能耗意义重大。 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 第一章:绪论 1 . 1 电动机的广泛应用 电动机将电能转化为机械能，用来驱动各种用途的生产机械。电动机是支撑国民 经济发展的主要动力基础元件，广泛应用于工业、农业、国防、交通、公用设施等各 个领域。 据国家 电动机调速技术产业化途径与对策的研究的报告，我国发电总量的 6 6 %消耗在电动机上，截止到 1 9 9 9年底，我国具有各类风机约 7 8 0万台，水泵 4 . 0 0 0万台，空压机 5 6 0万台，这些装置又占去了电机耗电的一半以上。据统计: 低压电机 ( 6 9 0 v以下)的数量是高压的几十倍，但所消耗的电能仅为高压的八分之 一左右。截止到 1 9 9 9年底，我国3 k v以上高压电机的总容量是 1 . 4 4亿 k w，每年 以5 0 0 - 6 0 0万k w 的速度在增长，随着我国现代化建设的不断发展，电动机的应用 将会越来越广泛m。 1 . 2 变频调速技术在我国的发展 根据国家发改委的全面统计调查，我国发电量的 6 0 %- 7 0 %用于推动电动机做 功，其中 9 0 %是交流电动机，大部分为直接拖动。由于采用直接恒速拖动，每年造 成大量的能源浪费。如占工业用电负荷 3 0 %以上的各类风机、泵类负载约 5 0 0 0万 台， 1 . 8亿千瓦。由于此类负载工况变化大， 如采用交流变频调速技术实现变速运行， 节能效果相当明显。以 平均节电2 0 %计算， 对全国来说每年节电7 0 0 亿度， 相当于 2 0 0 0万k w 发电站的年发电量，与 “ 十五”期间我国一年新建火力发电机组的装机 容量相当。可以节约几百亿元的电力建设投资，同时可以相应减少 2 7 7 0 0力吨发电 用煤、7 0万吨二氧化硫和 1 5 0 0万吨二氧化碳的污染排放。 近年来，交流调速技术在风机、水泵及其他领域得到了一定的推广应用，6 9 0 v 以下的低压变频器已大量使用。但在工业领域，高压大功率风机、水泵占主要地位， 例如:钢铁工业的高炉鼓风机、除尘风机、制氧机;石油生产用的注水泵;电力工业 的给水泵、凝结水泵、排渣泵、引风机、 送风机;煤矿的排水泵、主扇;大中型城市 自来水厂的供水泵等，驱动电机都是高压大功率交流电动机，占全国电机负载的 7 0 %。 这些设备由于缺少调速手段， 每天都在大量地浪费电能。因此， 开发高压大功 率变频器及迅速实现产业化，对于我国工业降低单产能耗意义重大。 华北电 力大学( 北京) 硕士学位论文 在现阶段， 三相异步电动机的各种调速方案中， 以变压变频调速性能最好。在低压 变频调速完全成熟、 获得广泛应用之后， 近几年国外几家著名公司又相继推出中、 高压 的变频器， 国内也有单位研制出自己的产品， 己为在3 . 6 k v甚至l o k v等电 压等级的中、 高压电动机采用变频调速创造了条件( 在电 气传动领域， 将2 . 3 一 1 0 k v习惯上称作高 压， 而与电网电压相比 ， 只能算作中压) 。 现在不少电 厂正跃跃欲试， 犹如1 0 多年前开始推广 应用低压变频调速的情况一样。例如山东， 己 有青岛发电厂等几家采用了 变频调速， 江 苏省徐州发电厂、彭城电厂、高资电厂等也正在积极准备进行这方面的技术改造 f21 从目前高压变频器的一般使用情况来看，平均节电可达 3 0 %，因而，无论是在 新建项目中，还是在技改项目中，高压变频系统的投入和使用，是非常有效的节能手 段， 若在政府有关部门 和相关行业的支持下， 每年有计划的改造5 0 0 - 6 0 0 万k w的 低效风机、水泵，平均年投入7 0 - 8 0亿元人民币， 当年即可产生直接节电效益约为 5 0 - 6 0亿元，占投资额的 7 0 %，而该类设备的使用期限至少为 1 5年，长期经济效 益十分明显。若坚持不懈地十余年的改造，不仅可以大大提高我国这一行业的技术水 平和发展，而且每年为国家节约数百亿元人民币的用电损耗，有关专家估计:整体节 能效果可为国家在今后十年内减少 1 5 - 2 0个 3 0万 k w燃煤发电机组的投资，同时 减少了大量煤烟的排放。 火电厂锅炉的风机、 水泵都是由几百乃至上干千瓦的电动机拖动， 是发电厂企业自 用电的大户。当发电机负荷变化时， 为满足热力系统的需要， 目前有 8 0 %以上原动机均 是依靠进、出口档板进行调节， 电能浪费巨大， 是电厂节能的一个瓶颈。随着电力改革、 厂网分开的实施， 发电市场竞争日 趋激烈。为争取较多的市场份额， 首先之策是降低生 产成本。其中采用先进的调节手段， 减少风机、水泵耗电量是关键之一， 对大容量电 机 尤其重要。由于风机、 水泵的流量正比转速， 而拖动它们的电动机功率与转速的三次方 - 成比 例， 所以如能调节电 动机转速， 则能大大地节省电能。调速节能也是国家早己 大力 推广的一项技术措施。 下面本文通过一个高压变频器在电厂的应用实例来说明变频调速的节能效果3 1 某火电厂 4 号机组 1 号送风机使用了 1 台罗宾康 ( r o b i n c o )变频器调速，通 过2 0 0 0 年9 月1 日至 1 5 日为送风机变频改造前与当年1 1 月1 6日至3 0日为送风机变 频改造后的运行情况对比， 改造后的耗电率比改造前有明显降低， 全年可节电5 . 5 1 x 1 0 . 6 k wh ， 按电价0 . 3 2 元/ k wh 计算， 可节约电费1 7 4 . 7 8 万元， 再加上节省送风机检修 费用6 0 万元，每年总节约费用可达2 3 4 万余元。可见其经济效益十分可观。 华北电 力大学( 北京) 硕士学位论文 1 . 3 变频驱动控制给电机运行带来的新问题 1 . 3 . 1 变频驱动p w m 控制技术 现代的变频调速技术， 为使逆变器输出电压波形趋近于正弦波，常米用 s p wm ( s i n u s o i d a l p u l s e wi d t h mo d u l a t i o n )方式。这种p wm的脉冲宽度按正弦规律变化， 因此可以有效地抑制低次谐波，使电机工作在近似正弦的交变电压下，转矩脉动小， 大大提升了交流电机的调速性能 多电平变换器是近年来高压、大功率应用领域的一个研究热点，其相应的 p wm 控制方法是一个重要的研究方向，但相关的研究工作并不充分，且缺乏系统性ta i 目 前应用在变频驱动控制的p wm控制方法主要有以下几种: 1 )消 谐波p w m ( s u b - h a r m o n i c s p w m- s h p w m)直接利用输出电 压波形的数学 模型， 并在方波电压波形上设置一些槽口， 通过计算求出决定这些槽口的开关角， 从而形成 p wm波形，同时达到利用有限的开关角就能有效地抑制某些低次谐波 的目的5 6 j 2 ) 开关频率优化p wm ( s w i t c h i n g f r e q u e n c y o p t i m a l p wm-s f o p wm) 这种方 法是以开关损耗最小作为目 标函数得出p wm波形的。 3 )谐波注入s p w m ( h i s p w m) 技术 利用三相系统中 线电 压具 有自 动消除线电 压 中3 k次谐波的能力， 人为地在三相调制基准正弦波中掺入一定分量的3 k次谐波， 以实现降低合成调制波的峰值， 避免过调制， 从而达到提高电压利用率的目的川。 4 )准优化p wm ( s u b o p t i m a l s p wm) 技术这种技术是在正弦调制波中叠加了一 定比例的三次谐波。 加入三次谐波之后， 调制比和输出电压之间的关系仍为线性， 但由于三次谐波将基波的峰值削平，当调制比达到1 . 1 5 时，才可能出现过调制， 电压利用率得到了较大提高。然而，仅拘泥于三次谐波必然具有局限性 5 )空间矢量p w m法 ( s v p w m) 是一种建立在空间矢量合成概念上的p w m法， 它 的最大优点在于: 概念清晰， 反映了s p wm的本质，电压利用率高， 易于数字实现 等，不足之处在于当电平数超过5 时，算法过于复杂(8 1ty j q 1 1 . 3 . 2 变频驱动控制给电机运行带来的新问题 p wm逆变器的使用大大提高了交流电机的性能， 但也对电 机产生了不良 影响。对 电机可靠性的研究表明， 由于电 机轴承的损坏而导致的电 机的损坏占 损坏总数的4 0 % ; 而有 2 5 %的电机轴承损坏是由于 p wm逆变器 d v / d t 引起的; 而且， 这一数字正随着 华北电 力大学( 北京) 硕士学位论文 1 . 3 变频驱动控制给电机运行带来的新问题 1 . 3 . 1 变频驱动p w m 控制技术 现代的变频调速技术， 为使逆变器输出电压波形趋近于正弦波，常米用 s p wm ( s i n u s o i d a l p u l s e wi d t h mo d u l a t i o n )方式。这种p wm的脉冲宽度按正弦规律变化， 因此可以有效地抑制低次谐波，使电机工作在近似正弦的交变电压下，转矩脉动小， 大大提升了交流电机的调速性能 多电平变换器是近年来高压、大功率应用领域的一个研究热点，其相应的 p wm 控制方法是一个重要的研究方向，但相关的研究工作并不充分，且缺乏系统性ta i 目 前应用在变频驱动控制的p wm控制方法主要有以下几种: 1 )消 谐波p w m ( s u b - h a r m o n i c s p w m- s h p w m)直接利用输出电 压波形的数学 模型， 并在方波电压波形上设置一些槽口， 通过计算求出决定这些槽口的开关角， 从而形成 p wm波形，同时达到利用有限的开关角就能有效地抑制某些低次谐波 的目的5 6 j 2 ) 开关频率优化p wm ( s w i t c h i n g f r e q u e n c y o p t i m a l p wm-s f o p wm) 这种方 法是以开关损耗最小作为目 标函数得出p wm波形的。 3 )谐波注入s p w m ( h i s p w m) 技术 利用三相系统中 线电 压具 有自 动消除线电 压 中3 k次谐波的能力， 人为地在三相调制基准正弦波中掺入一定分量的3 k次谐波， 以实现降低合成调制波的峰值， 避免过调制， 从而达到提高电压利用率的目的川。 4 )准优化p wm ( s u b o p t i m a l s p wm) 技术这种技术是在正弦调制波中叠加了一 定比例的三次谐波。 加入三次谐波之后， 调制比和输出电压之间的关系仍为线性， 但由于三次谐波将基波的峰值削平，当调制比达到1 . 1 5 时，才可能出现过调制， 电压利用率得到了较大提高。然而，仅拘泥于三次谐波必然具有局限性 5 )空间矢量p w m法 ( s v p w m) 是一种建立在空间矢量合成概念上的p w m法， 它 的最大优点在于: 概念清晰， 反映了s p wm的本质，电压利用率高， 易于数字实现 等，不足之处在于当电平数超过5 时，算法过于复杂(8 1ty j q 1 1 . 3 . 2 变频驱动控制给电机运行带来的新问题 p wm逆变器的使用大大提高了交流电机的性能， 但也对电 机产生了不良 影响。对 电机可靠性的研究表明， 由于电 机轴承的损坏而导致的电 机的损坏占 损坏总数的4 0 % ; 而有 2 5 %的电机轴承损坏是由于 p wm逆变器 d v / d t 引起的; 而且， 这一数字正随着 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 i g b t 等高性能器件的广泛使用而以 惊人的 速度增加p q 。 所以 ， 这一问题己 经成为国外 研究的热点。 近几年来， 在国内外都出现大批变频电机绝缘破坏的情况， 许多变频电机的寿命只 有 1 - 2 年， 甚至有些在试运行中电机绝缘就被击穿破坏， 而且击穿发生在匝间， 这引起国 内外学者和专家的特别关注， 这也是电力逆变技术的应用给电气绝缘技术带来的新问 题如果这一问 题不解决， 它将成为变频传动技术广泛应用的重大障碍! 12 1 谐波问题是所有变频器的共同问题，尤其在大功率变频调速中更为突出。当采用 变频器装置对异步电机供电时， 变频器在运行时， 回路内的开关元件会有规律地开通与 关断而产生大量的谐波干扰， 造成正弦波畸变，畸变的波形给电机带来显著影响， 严重 时可造成异步电机的损坏。谐波电流也会使电动机损耗增加，因而发热增加，效率及 功率因数下降，以至不得不“ 降额” 使用。 目 前国内外关于 p wm逆变器供电对电机所产生的影响的研究， 归结起来主要有 以下三点: 1 )用变频驱动控制实现电动机软起动和软停车 如果用工频电源直接起动，则起动电流可达5 -6 倍额定值;利用变频器起动，则 可以在较小的电流下实现加速、减速，电动机的发热较小。 2 )对变频驱动控制造成电 机轴承损坏的研究 这一 问题已 经成为国外研究的热点。文献 1 1 认为， p wm逆变器供电下电 机轴承 的损坏是由十产生了所谓的 “ 轴电压”和 “ 轴承电流” 。电机的轴电压是转子轴到定 子的电压值， 由该电压通过轴承而产生的电流形成轴承电流。 经研究表明轴电压的产生 有以下三个方面: 磁路不对称的电磁感应， 内部源静电感应， 外部源静电感应。p wm 逆 变器对电机轴承的影响属于外部源的静电感应。 ( 3 ) 对电机绝缘的影响的研究 对于p wm电源供电的高低压交流异步电机的绝缘老化和损坏的机理研究是近几 年的事。 以电压源逆变器为例， 逆变器施加给电动机的端电压是非正弦电压， 可分解为基波 和一系列谐波， 这些谐波电压将在电机回路中产生谐波电流， 从而使电机的损耗增加， 并 产生转矩脉动。当电 机在高速运转时， 谐波对电机的影响并不大， 但是当电 机低速运行 时， 影响较显著， 有可能出现一个或几个振荡区13 14 1 5 1 用于交流电动机供电系统的变频器， 其输出电压或电流中均含有高次谐波， 与工频 电压的正弦波具有相当大的差别。 这些幅值较大的谐波在气隙中产生的磁场将在绕组 中感应电流作用下产生脉动转矩而引起机械轴系的扭振。 变频器换流时产生的冲击电 压会叠加在电机运行的电压上， 这样的电压峰值会对电机的主绝缘和匝间绝缘形成很 大的威胁。 mk a u f h o l d h 等进行了p wm电源供电的低压交流异步电机的绝缘老化和损坏的机 华北电 力大学( 北京) 硕十学位论文 理研究， 指出匝间绝缘的损坏是由于持续的局部放电而导致的绝缘击穿; 并且对低压电 机常用的电磁线相邻两根导线， 在脉冲电压下的局部放电的特性进行了较系统的测试。 研究表明随着电机温度的升高， 发生局部放电的临界电压值会降低， 对电机绝缘材料的 毁 坏 就 会 加 速 ib (17 。 p wm 电源驱动的交流变频调速电机中绝缘所受到的电压分布和特性与传统的工 频正弦波作用下电 机完全不同， 过去几十年来研究和制定的与工频正弦波电 机有关的 绝缘设计参数己不能适用于交流变频调速电机。 电机的损坏主要是局部绝缘击穿， 这与绝缘内部局部放电有很大的关系， 而在 p wm 电源中产生并加于变频电机的高频脉冲方波电压作用下的局部放电及其对绝缘 的破坏与传统的工频正弦条件下的情况也有重大区别。 目前国内外对p wm的控制方式的研究比较多，而对多电平p wm逆变电路产生 的高次谐波的特点还没有完整的理论分析， 对高次谐波对电 机的影响的研究只是进行 一些定性的研究和分析; 对于应用多电平高压变频器具体工程中， 在变频器出现严重 的过流故障时， 为了 保护 p w m逆变电路通常采取脉冲封锁保护， 由于脉冲封锁方式的 不同会对电机产生不同的影响， 这个方面的研究还很少涉及， 但这是高压变频器应用过 程中必须解决的问题。 1 . 4 本文研究的主要内容 本论文所研究的课题主要有以下内容:一、以华北电力大学电力系韩民晓教授所 主持的单元串联多电平高压变频器样机为依托， 分析研究高压变频器用于功率单元保 护的 封锁脉冲控制策略， 分析不同控制策略对电机运行所带来的不同影响， 同时提出 新 的脉冲保护策略， 并用m a t l a b仿真验证策略的有效性。二、分析多电平高压变频器 输出p wm波的谐波特性， 进而研究谐波对电机的影响。 本文所涉及的具体工作如下: 了解变频调速技术的应用和最新发展，分析高压变频装置在节能方面的巨大经济 效益以及其在国内的市场需求，研究国内外高压变频器的研发现状。 单元串联多电平变频器实验样机的运行维护;协助课题组进行单元串联多电平高 压变频器工业机的联合调试， 实现变频器的各项基本运行功能; 设计变频器人机交 互界面，编制人机交互程序并联机调试。 研究变频器的保护策略，重点研究变频器发生严重过流故障时的脉冲封锁保护策 略，并提出新的脉冲封锁方式，用ma t l a b进行仿真验证保护策略的正确性。 d 用ma t l a b仿真软件搭建多电平高压变频器电路， 分析变频器输出电压的谐波特 点，进而研究谐波对电机的影响。 华北电 力大学( 北京) 硕十学位论文 理研究， 指出匝间绝缘的损坏是由于持续的局部放电而导致的绝缘击穿; 并且对低压电 机常用的电磁线相邻两根导线， 在脉冲电压下的局部放电的特性进行了较系统的测试。 研究表明随着电机温度的升高， 发生局部放电的临界电压值会降低， 对电机绝缘材料的 毁 坏 就 会 加 速 ib (17 。 p wm 电源驱动的交流变频调速电机中绝缘所受到的电压分布和特性与传统的工 频正弦波作用下电 机完全不同， 过去几十年来研究和制定的与工频正弦波电 机有关的 绝缘设计参数己不能适用于交流变频调速电机。 电机的损坏主要是局部绝缘击穿， 这与绝缘内部局部放电有很大的关系， 而在 p wm 电源中产生并加于变频电机的高频脉冲方波电压作用下的局部放电及其对绝缘 的破坏与传统的工频正弦条件下的情况也有重大区别。 目前国内外对p wm的控制方式的研究比较多，而对多电平p wm逆变电路产生 的高次谐波的特点还没有完整的理论分析， 对高次谐波对电 机的影响的研究只是进行 一些定性的研究和分析; 对于应用多电平高压变频器具体工程中， 在变频器出现严重 的过流故障时， 为了 保护 p w m逆变电路通常采取脉冲封锁保护， 由于脉冲封锁方式的 不同会对电机产生不同的影响， 这个方面的研究还很少涉及， 但这是高压变频器应用过 程中必须解决的问题。 1 . 4 本文研究的主要内容 本论文所研究的课题主要有以下内容:一、以华北电力大学电力系韩民晓教授所 主持的单元串联多电平高压变频器样机为依托， 分析研究高压变频器用于功率单元保 护的 封锁脉冲控制策略， 分析不同控制策略对电机运行所带来的不同影响， 同时提出 新 的脉冲保护策略， 并用m a t l a b仿真验证策略的有效性。二、分析多电平高压变频器 输出p wm波的谐波特性， 进而研究谐波对电机的影响。 本文所涉及的具体工作如下: 了解变频调速技术的应用和最新发展，分析高压变频装置在节能方面的巨大经济 效益以及其在国内的市场需求，研究国内外高压变频器的研发现状。 单元串联多电平变频器实验样机的运行维护;协助课题组进行单元串联多电平高 压变频器工业机的联合调试， 实现变频器的各项基本运行功能; 设计变频器人机交 互界面，编制人机交互程序并联机调试。 研究变频器的保护策略，重点研究变频器发生严重过流故障时的脉冲封锁保护策 略，并提出新的脉冲封锁方式，用ma t l a b进行仿真验证保护策略的正确性。 d 用ma t l a b仿真软件搭建多电平高压变频器电路， 分析变频器输出电压的谐波特 点，进而研究谐波对电机的影响。 华北电 力大学( 北京) 硕士学位论文 第二章:变频驱动控制方法 2 . 1 单元串联多电平高压变频器样机结构 目 前世界上的高压变频器不像低压变频器一样具有成熟的一致性的拓扑结构， 而 是限于采用目前电压耐量的功率器件，如何面对高压使用条件的要求，国内外各变频 器生产厂商的主电路结构不尽一致，但都较为成功地解决了高电压大容量这一难题。 当然在性能指标及价格上也各有差异。目前，高压变频器生产厂家已开发出比 较成熟 的结构有:功率器件串联二电平电流型、单元串联多重化电压源型、中性点钳位三电 平型、飞跨电容多电平型、变压器祸合型d s 1 近几年来，单元串联多重化技术得到了很多高压变频器厂家的青睐， 华北电力大 学电能质量实验室的高压变频器样机也采用了此技术。 一一一一二柳一一二一一 卜卜卜卜卜卜卜夕夕卜卜卜卜盆 图2 - 1 多电平变频器原理示意图 图2 - 2五功率单元串联主电路 所谓多重化技术就是每相由几个低压p wm功率单元串联组成， 各功率单元由一 个多绕组的隔离变压器供电， 用高速微处理器实现控制和以光导纤维隔离驱动。多重 化技术从根本上解决了一般 6 脉冲和 1 2 脉冲变频器所产生的谐波问题，可实现完美 无谐波变频。图2 - 1 为6 k v变频器的原理示意图，每组由5 个额定电压为6 9 0 v的功 华北电 力大学( 北京) 硕士学位论文 第二章:变频驱动控制方法 2 . 1 单元串联多电平高压变频器样机结构 目 前世界上的高压变频器不像低压变频器一样具有成熟的一致性的拓扑结构， 而 是限于采用目前电压耐量的功率器件，如何面对高压使用条件的要求，国内外各变频 器生产厂商的主电路结构不尽一致，但都较为成功地解决了高电压大容量这一难题。 当然在性能指标及价格上也各有差异。目前，高压变频器生产厂家已开发出比 较成熟 的结构有:功率器件串联二电平电流型、单元串联多重化电压源型、中性点钳位三电 平型、飞跨电容多电平型、变压器祸合型d s 1 近几年来，单元串联多重化技术得到了很多高压变频器厂家的青睐， 华北电力大 学电能质量实验室的高压变频器样机也采用了此技术。 一一一一二柳一一二一一 卜卜卜卜卜卜卜夕夕卜卜卜卜盆 图2 - 1 多电平变频器原理示意图 图2 - 2五功率单元串联主电路 所谓多重化技术就是每相由几个低压p wm功率单元串联组成， 各功率单元由一 个多绕组的隔离变压器供电， 用高速微处理器实现控制和以光导纤维隔离驱动。多重 化技术从根本上解决了一般 6 脉冲和 1 2 脉冲变频器所产生的谐波问题，可实现完美 无谐波变频。图2 - 1 为6 k v变频器的原理示意图，每组由5 个额定电压为6 9 0 v的功 华北电 力大学( 北京) 硕士学位论文 率单元串联，因此相电压为6 9 0 v - 5 = 3 4 5 0 v ，所对应的线电压为6 0 0 0 v。每个功率单 元由输入隔离变压器的 1 5 个二次绕组分别供电，1 5 个二次绕组分成 5 组，每组之间 存在一个1 2 0 的相位差。 图2 - 2 主电路拓扑图中以中间接法为参考( 0 0 ) ， 上下方各有 两套分别超前( + 1 2 0 , + 2 4 0 ) 和滞后。 1 2 0 、 - 2 4 0 ) 的4 组绕组。所需相差角度可通过变压 器的不同联接组别来实现。采用多重化技术后，相当于3 0 脉波变频，理论上2 9 次以 下的谐波都可以抵消，总的电压和电流失真率可分别低于1 .2 % 和0 . 8 %,堪称完美无 谐波( p e r f e c t h a r m o n y ) 变频器。 它的 输入功率因数可达0 . 9 5 以 上， 不必设置输入滤波 器和功率因数补偿装置。 图 2 - 2中的每个功率单元都是由低压绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 构成的三相输 入，单相输出的低压 p wm 电 压型逆变器。功率单元电路见图 2 - 3 。每个功率单元输 出电压为 1 . 0 、- 1 三种状态电平，每相 5 个单元叠加，就可产生 1 1 种不同的电平等 级，分别为士 5 、 士 4 、 士 3 、 士 2 , 划 和0 。如图2 - 4 为一相合成的正波输出电压波形。 用 这种多重化技术构成的高压变频器，也称为单元串联多电平p wm电压型变频器。采 用功率单元串联，而不是用传统的器件串联来实现高压输出，所以不存在器件均压的 问题。 每个功率单元承受全部的输出电流， 但仅承受1 / 5 的输出相电压和1 / 1 5 的输出 功率。变频器由于采用多重化 p wm技术，由 5 对依次相移 1 2 0 的三角载波对基波电 压进行调制。 对a相基波调制所得的5 个信号， 分别控制a 1 -a 5 五个功率单元， 经 叠加可得具有 1 1 级阶梯电平的相电压波形，线电压波型具有2 1 阶梯电平。变频器同 一相的功率单元输出相同的基波电压，串联各单元之间的载波错开一定的相位，每个 功率单元的i g b t开关频率若为6 0 0 h z ，则当5 个功率单元串联时，等效的输出相电 压开关频率为 6 k h z 。功率单元采用低的开关频率可以降低开关损耗，而高的等效输 出开关频率和多电平可以大大改善输出波形。波形的改善除减小输出谐波外，还可以 降低噪声、 d v / d t 值和电机的转矩脉动。 所以这种变频器对电机无特殊要求， 可用于普 遍笼型电机，且不必降额使用，对输出电缆长度也无特殊限制。由于功率单元有足够 的滤波电容， 变频器可承受3 0 %电源电压下降和5 个周期的电源丧失。这种主电路拓 扑结构虽然使器件数量增加，但由于i g b t驱动功率很低，且不必采用均压电路、吸 收电路和输出滤波器，可使变频器的效率高达%以上。 华北电 力大学( 北京) 硕士学位论文 图2 - 3 功率单元电路 一 ， 先 一 : 重 : _ 1 t u i f . 11 i-j u- l t . u 一 飞 下 u u l 一几丁 u - u曰 、 i i - , u一 u 一 ta. . r 口l i - l; 二二 ， ， 。 于 眨 _ 八j - 1 j 飞- 丁一 !i门厂l fl i - f t - - 下7 一 l 贝_ 几_ 飞 门犷甘飞_ 户_ 生 _ 3 ?. f l _ j 卜 汗 ! 一 t n _ j. . t l _ 爪生_ 上 _ _ 8 . . . . 了 l 飞 丁_ 犷 r l r约 t . 单 元，1 - 尸es 八厂ii -犷叮 妇j 曰 让 万 件 ;，! : ， 。 阳飞 _14i wiiwi叭 相 抓 。 ir ,i1easc 4tbi _ .toeil,v iwliw9i_.。俪 。:。咖 1f ;i ipa ii611 011111w1lfitnqf i 图2 一 4 五功率单元串联输出 单元串联多重化变频器的优点是: 由于采用功率单元串联，可采用技术成熟，价 格低廉的低压i g b t组成逆变单元，通过串联单元的个数适应不同的输出电压要求; 完美的输入输出波形， 使其能适应任何场合及电机使用; 由于功率单元具有相同 的结构及参数。 便于将功率单元做成模块化， 实现冗余设计，即使在个别单元故障时 也可通过单元旁路功能将该单元短路，系统仍能正常或降额运行。 其缺点是: 使用的功率单元及功率器件数量太多， 6 k v系统要使用1 5 0 只功率器 件( 9 0 只二极管，6 0 只i g b t ) ， 装置的体积太大，重量大，安装位置成问题; 无法 实现能量回馈及四象限运行，且无法实现制动; 用功率单元串联构成高压变频器的另一种改进方案是采用高压 i g b t器件，以 减 少串联的功率单元数。 例如，用3 3 0 0 v耐压的i g b t器件，用两个功率单元串联的变 频器可输出4 . 1 6 k v高压;若要rv输出，只要三个单元串联。功率单元和器件数量 的减少，使损耗和故障也减少了，有利于提高装置的效率和可靠性，缩小装置体积。 但由于电平级数的减少， 输出谐波增加， 为获得优良的输出波形， 必须加输出滤波器。 由于高压 i g b t比普通低压i g b t要贵得多，所以虽然功率器件减少了，但成本不一 定下降。 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 实验室开发的变频器样机， 从设计上来讲， 除了监控系统按照工业要求一比一的 设计开发外， 在输入变压器、功率单元模块和输出负载等主回路结构上是根据实验坏 境和实验条件有所缩小。开发变频器样机的目的一是为了验证监控系统工作的可行性 和工作的可靠性;二是利用样机可以模拟一些在工业机不可能或不允许做的实验，即 使造成损失也比较小; 三是在开发和运行过程中可以积累一些开发、 运行经验，为今 后工业机的开发打下基础。 样机采用的是每相六单元结构。 输入多重变压器从市电额定3 8 0 v降压为二次的 7 5 v ，二次共有 1 8 组抽头。每组抽头a b c三相，给一个功率单元供电。每个单元直 流电压是1 0 1 v 。 在设计中， 考虑到若六个单元全用， 则变频器每相输出的峰值达6 0 6 v , 线电压峰值 1 0 4 9 . 6 v ，有效值7 4 2 . 3 v。没有相对应此电压的电机，需要特殊制作。因 此，现暂时使用六个单元中的 1 , 3 , 5 三个单元，调制波在没有叠加 3 k 次谐波的情 况下，输出的线电压为 3 7 1 v;为了提高电压利用率，调制波叠加入 3 k 次谐波，电压 利用率可以提高1 5 %，则输出线电压可以达到4 2 6 v a 2 . 2 样机采用的p w m 控制方法 2 . 2 . 1 传统p w m 控制方法 一般来说，波形质量，开关损耗，电压利用率等是衡量p wm方法的几个重要指 标，随着现代大功率器件开关频率的不断提高，波形质量问题已得到了较好的解决， 而开关损耗问题却日益凸现，以电路拓扑改进为代表的软开关技术在解决开关损耗问 题的同时也带来电路结构复杂化的问题，对多电平变换器这样的复杂电路尤其如此。 所以，如何从p wm控制方法的优化上减小开关损耗，是一个值得探讨的问题。 目前，关于p wm优化的研究是p wm技术的一个重要课题。所谓优化p wm控 制策略，就是根据电压利用率、开关损耗、波形特性及算法复杂度等相关的性能指标 作为目标函数，建立数学模型，形成所有工作频率范围内的脉冲发生策略。前面提到 的电压正弦p wm控制方式中， 正弦波是一种最常用的调制信号， 但决不是最优信号。 当采用标准正弦波作为调制波时，电压利用率很低，为弥补这一不足，人们提出了谐 波注入s p wm ( h i s p wm) 技术。 其基本思想是利用三相系统中线电压具有自 动消除 线电压中3 k 次谐波的能力，人为地在三相调制基准正弦波中掺入一定分量的3 k 次谐 ，避免过调制，从而达到提高电压利用率的目的 波，以实现降低合成调制波的峰值， 准优化p wm ( s u b o p t i m a l s p wm) 技术，就是在正弦调制波中叠加了一定比例的三 次谐波。加入三次谐波之后，调制比和输出电压之间的关系仍为线性，但由于三次谐 波将基波的峰值削平，当调制比达到 1 . 1 5 时， 才可能出现过调制，电压利用率得到了 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 实验室开发的变频器样机， 从设计上来讲， 除了监控系统按照工业要求一比一的 设计开发外， 在输入变压器、功率单元模块和输出负载等主回路结构上是根据实验坏 境和实验条件有所缩小。开发变频器样机的目的一是为了验证监控系统工作的可行性 和工作的可靠性;二是利用样机可以模拟一些在工业机不可能或不允许做的实验，即 使造成损失也比较小; 三是在开发和运行过程中可以积累一些开发、 运行经验，为今 后工业机的开发打下基础。 样机采用的是每相六单元结构。 输入多重变压器从市电额定3 8 0 v降压为二次的 7 5 v ，二次共有 1 8 组抽头。每组抽头a b c三相，给一个功率单元供电。每个单元直 流电压是1 0 1 v 。 在设计中， 考虑到若六个单元全用， 则变频器每相输出的峰值达6 0 6 v , 线电压峰值 1 0 4 9 . 6 v ，有效值7 4 2 . 3 v。没有相对应此电压的电机，需要特殊制作。因 此，现暂时使用六个单元中的 1 , 3 , 5 三个单元，调制波在没有叠加 3 k 次谐波的情 况下，输出的线电压为 3 7 1 v;为了提高电压利用率，调制波叠加入 3 k 次谐波，电压 利用率可以提高1 5 %，则输出线电压可以达到4 2 6 v a 2 . 2 样机采用的p w m 控制方法 2 . 2 . 1 传统p w m 控制方法 一般来说，波形质量，开关损耗，电压利用率等是衡量p wm方法的几个重要指 标，随着现代大功率器件开关频率的不断提高，波形质量问题已得到了较好的解决， 而开关损耗问题却日益凸现，以电路拓扑改进为代表的软开关技术在解决开关损耗问 题的同时也带来电路结构复杂化的问题，对多电平变换器这样的复杂电路尤其如此。 所以，如何从p wm控制