调速电动机的常见故障

1、 4 故障及处理故障及处理 电机故障诊断图表见表11。 电机电气故障列举见表12。 电机轴承的故障见表13。 UMD 系统故障见表14。 系统其它故障的分析、判断、处理可以参 考附录A故障报警信号清单进行处理。 表11 故障诊断图表 摩 擦 噪 音 温度 过高 径 向 振 动 轴 向 振 动 可能的起因补救措施 转子/轴接触固定部件 找到故障原因，对所涉及的部 件进行处理。 冷却管中含有尘土，供气减 少 检查通风管 冷却器的性能恶化，水流受 阻 清洁冷却器、检查供水情况、 释放冷却器中的空气 转子中出现失衡 轴系中的失衡消除失衡 来自于耦合设备的震动检查藕合状态下被驱动设备 基座的失调或变化

2、电机进行校准、检查基座、检 查联轴器 基座共振加强基座 表11 故障诊断图表 电动机 启动失 败 电动 机 加速 困难 启 动 期 间 的 嗡 嗡噪音 运 行 期 间 的 嗡 嗡噪音 可能原因补救措施 过载减少负载 供电电路断路 检查配电装置和供电 电路 缺相 系统电压过低对系统条件进行校正 定子绕组中的 匝间 和绕组间故障 测量绕组电阻和绝缘 电阻;判明故障原因进 行修理。 表12 电气故障 轴 承 过 热 轴 承 机 油 流 失 电 机 里 出 现 机 油 机 油 浑 浊 快 轴承温度 波动范围 很大 可能的原因补救措施 较低的机油位 检查机油位，如必要， 再次注入 强制润滑失败 检查机油

3、供给情况 表13 电机轴承的故障 机油已过期失效 或过脏 清洁轴承外壳，更换新机油 过高的径向负载 检查校准和耦合情况 机油的黏性过高 进行黏性对比，必要时更换 机油。. 机油的黏性过低 机油中出现泡沫 联系制造厂商 轴承表面损坏装配新的轴承壳 机油的流速过高 调整机油的流速，检查是否 由于阻挡而出现机油的泄漏 情况，检查机油位 刀口密封受损装配新的刀口密封 机油的回流在密 封环处受阻 清洁机油的回流管道，检查 电机的密封情况 序 号 常见故障原 因处理放法 1漏液 电池外壳变形，温度过高， 浮充电压过高，电池极柱 密封不严。 汇报站长 2 浮充电压不均 匀 电池内阻不均匀均衡充电1224h

4、3 单体浮充电压 偏低 电池内部微短路等 均衡充电1224h，仍不能排 除故障时需更换电池。 4容量不足 电池欠充 失水严重，内部干涸 均衡充电1224h，仍不能排 除故障时需更换电池。补加 活力液 5 电池极柱或外 壳温度过高 螺丝松动，浮充电压过高 等 检查螺丝，检查充电机和充 电方法 6 电池浮充电压 忽高忽低 螺丝松动扭紧螺丝 7电池组接地 电池盖灰尘或电池漏液残 留物导电 清洁电池 电池组与地面加绝缘胶垫 表14 UMD系统故障 1.3 与相关学科的关系与相关学科的关系 控制理论广泛用于电力电子系统中。 电力电子技术是弱电控制强电的技术， 是弱电和强电的 接口； 控制理论是这种接口的

5、有力纽带。 电力电子装置是自动化技术的基础元件和 重要支撑技术。 控制理论广泛用于电力电子系统中。 电力电子技术是弱电控制强电的技术， 是弱电和强电的 接口； 控制理论是这种接口的有力纽带。 电力电子装置是自动化技术的基础元件和 重要支撑技术。 电流驱动型电流驱动型 通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者 关断的控制。 电压驱动型电压驱动型 仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信 号就可实现导通或者关断的控制。 按照驱动电路信号的性质，分为两类：按照驱动电路信号的性质，分为两类： 8088 CPU的内部寄存器的内部寄存器 Power Diode结构和原理简单，工作可靠，自 20世纪50

6、年代初期就获得应用。 快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高 频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具 有不可替代的地位。 1.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管引言引言 整流二极管及模块 整流二极管及模块 二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主 要特征。 PN结的反向击穿（两种形式) 雪崩击穿 齐纳击穿 均可能导致热击穿 PN结的状态 在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立 起来之后， 迅速增大。 阻断状态阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍 大于两个晶体管漏电流之和。 开通状态开通状态：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大 以致1+2趋近于1的话

7、，流过晶闸管的电流IA，将趋 近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。 阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 阳极电压上升率du/dt过高 结温较高 光触发光触发 光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应 用于高压电力设备中，称为光 控 晶 闸 管光 控 晶 闸 管 （Light Triggered ThyristorLTT）。 只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。 其他几种可能导通的情况其他几种可能导通的情况： 承受反向电压时，不论门极是否有触发电 流，晶闸管都不会导通。 承受正向电压时，仅在门极有触发电流的 情况下晶闸管才

8、能开通。 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。 要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降 到接近于零的某一数值以下 。 晶闸管正常工作时的特性总结如下：晶闸管正常工作时的特性总结如下： 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性 （1）正向特性 IG=0时，器件两端施加正向电压， 只有很小的正向漏电流，为正向 阻断状态。 正向电压超过正向转折电压Ubo， 则漏电流急剧增大，器件开通。 随着门极电流幅值的增大，正向 转折电压降低。 晶闸管本身的压降很小，在1V左 右。 正向 导通 雪崩 击穿 O+UA - U A -I A IA IH IG2IG1IG =0 Ubo UDSM UDRM URRMU

9、RSM 1 1） 静态特性静态特性 图1-8 晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG 反向特性类似二极管的反 向特性。 反向阻断状态时，只有极 小的反相漏电流流过。 当反向电压达到反向击穿 电压后，可能导致晶闸管 发热损坏。 正向 导通 雪崩 击穿 O+UA - U A -I A IA IH IG2IG1IG =0 Ubo UDSM UDRM URRMURSM （2）反向特性反向特性 1.4 典型全控型器件典型全控型器件引言引言 门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久 出现。 20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一 个崭新时代。 典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体 管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极

10、晶体管。 结构结构： 与普通晶闸管的相同点相同点： PNPN四层半导体结构，外部引 出阳极、阴极和门极。 和普通晶闸管的不同点不同点：GTO是一种多元的功率集成器件。 c) 图1-13 A GKGG K N1 P1 N2N2 P2 b)a) A G K 图1-13 GTO的内部结构和电气图形符号 a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号 1）GTO的结构和工作原理的结构和工作原理 工作原理工作原理： 与普通晶闸管一样，可以用图1-7所示的双晶体管模型来 分析。 R NPN PNP A G S K EG IG EA IK Ic2 Ic1 IA V

11、1 V 2 P1 A G K N 1 P2P2 N 1 N 2 a)b) 图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 1 1+ + 2 2=1=1是器件临界导通的条件。是器件临界导通的条件。 由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共 基极电流增益 1 1和 2 2 。 1.4.2 电力晶体管电力晶体管 电力晶体管（Giant TransistorGTR，直译为巨 型晶体管） 。 耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有时候也称为 Power BJT。 应用应用 20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶

12、闸 管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。 术语用法术语用法： 具有三态输出的锁存器 与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。 主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。 通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。 采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 。 1）GTR的结构和工作原理的结构和工作原理 图1-15 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动 a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动 电力电力MOSFET的种类的种类 按导电沟道可分为P沟道沟道和N沟道沟道。 耗尽型耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导 电沟道。 增强型增强型对于

13、N（P）沟道器件，栅极电压大于 （小于）零时才存在导电沟道。 电力MOSFET主要是N沟道增强型沟道增强型。 1）电力）电力MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理 双向三态门驱动器 电力电力MOSFET的结构的结构 是单极型晶体管。 导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。 采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。 N+ G S D P沟道 b) N+ N- S G D PP N+N+ N+ 沟道 a) G S D N沟道 图1-19 图1-19 电力MOSFET的结构和电气图形符号 小功率MOS管是横向导电器件。 电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为 VMOS

14、FET（Vertical MOSFET）。 按垂直导电结构的差异，分为利用V型槽实现垂直导电 的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的 VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。 这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。 电力电力MOSFET的结构的结构 5 5、IGBTIGBT应用特性应用特性 机组的典型控制器和传感器 1) IGBT的结构和工作原理的结构和工作原理 三端器件：栅极G、集电极C和发射极E EG C N+ N- a) P N+N+ P N+N+ P+ 发射极 栅极 集电极 注入区 缓冲区 漂移区 J3 J2 J1 G E C +

15、 - +- + - IDRN IC VJ1 IDRon b) G C c) 图1-22 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号 a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号 驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅 射极电压uGE决定。 导通导通：uGE大于开启电压开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道， 为晶体管提供基极电流，IGBT导通。 通态压降通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。 关断关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道 消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。 IGBT的原理的原理 a) b)

16、O 有源区 正向阻断区 饱 和 区 反向阻断区 IC UGE(th)UGE O IC URM UFMUCE UGE(th) UGE增加 2) IGBT的基本特性的基本特性 (1) IGBT的静态特性的静态特性 图1-23 IGBT的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性 转移特性转移特性IC与 UGE间的关系(开启开启 电压电压UGE(th) 输出特性输出特性 分为三个区域： 正向阻断区、 有源区和饱和 区。 t t t 10% 90% 10% 90% U CE IC 0 O 0 U GE U GEM I CM U CEM t fv1 t fv2 t off ton tfi1tfi

17、2 t d(off) t f t d(on) tr U CE(on) U GEM U GEM I CM I CM 图1-24 IGBT的开关过 程 IGBT的开通过程的开通过程 与MOSFET的相似 开通延迟时间开通延迟时间td(on) 电流上升时间电流上升时间tr 开通时间开通时间ton uCE的下降过程分为tfv1和 tfv2两段。 tfv1IGBT中MOSFET单 独工作的电压下降过程； tfv2MOSFET和PNP晶 体管同时工作的电压下降 过程。 (2) IGBTIGBT的动态特性的动态特性 IGBT的特性和参数特点可以总结如下的特性和参数特点可以总结如下： 开关速度高，开关损耗小。

18、 相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且 具有耐脉冲电流冲击能力。 通态压降比VDMOSFET低。 输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。 与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进 一步提高，同时保持开关频率高的特点 。 1.5.5 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路 20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件 封装在一个模块中，称为功率模块功率模块。 可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。 对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简 化对保护和缓冲电路的要求。 将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等 信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成

19、电路功率集成电路 （Power Integrated CircuitPIC）。 基本概念基本概念 高压集成电路高压集成电路（High Voltage ICHVIC）一般指横 向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。 智能功率集成电路智能功率集成电路（Smart Power ICSPIC）一般 指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。 智能功率模块智能功率模块（Intelligent Power ModuleIPM） 则专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片 集成，也称智能IGBT（Intelligent IGBT）。 实际应用电路实际应用电路 IGBT为主体，第四代产品，制造

20、水平2.5kV / 1.8kA，兆瓦以下首选。仍在不断发展，与IGCT等 新器件激烈竞争，试图在兆瓦以上取代GTO。 GTO：兆瓦以上首选，制造水平6kV / 6kA。 光控晶闸管光控晶闸管：功率更大场合，8kV / 3.5kA，装置 最高达300MVA，容量最大。 电力电力MOSFET：长足进步，中小功率领域特别是 低压，地位牢固。 功率模块和功率集成电路功率模块和功率集成电路是现在电力电子发展的 一个共同趋势。 当前的格局当前的格局: 1 1、高压变频控制技术序论、高压变频控制技术序论 随着电气传动技术，尤其是变频调速技术的发展，作为大容量传动 的高压变频调速技术也得到了广泛的应用。高压电

21、机利用高压变频 器可以实现无级调速，满足生产工艺过程对电机调速控制的要求， 以提高产品的产量和质量，又可大幅度节约能源，降低生产成本。 近年来，各种高压变频器不断出现，高压变频器到目前为止还没有 像低压变频器那样近乎统一的拓扑结构。根据高压组成方式可分为 直接高压型和高-低-高型，根据有无中间直流环节来分，可以分为交 -交变频器和交-直-交变频器，在交-直-交变频器中，按中间直流滤波 环节的不同，可分为电压源型和电流源型。高-低-高型变频器采用变 压器实行输入降压，输出升压的方式，其实质上还是低压变频器， 只不过从电网和电机两端来看是高压的，是受到功率器件电压等级 技术条件的限制而采取的变通办

22、法，需要输入，输出变压器，存在 中间低压环节电流大，效率低下，可靠性下降，占地面积大等缺点 ，只用于一些小容量高压电机的简单调速。 四、高压变频控制技术四、高压变频控制技术 只不过从电网和电机两端来看是高压的，是受到功率器件电压等级技 术条件的限制而采取的变通办法，需要输入，输出变压器，存在中间 低压环节电流大，效率低下，可靠性下降，占地面积大等缺点，只用 于一些小容量高压电机的简单调速。常规的交-交变频器由于受到输出 最高频率的限制，只用在一些低速，大容量的特殊场合。直接高压交- 直-交变频器直接高压输出，无需输出变压器，效率高，输出频率范围 宽，应用较为广泛。我们将对目前使用较为广泛的几种

23、直接高压输出 交-直-交型变频器及其派生方案进行分析，指出各自的优缺点。评价高 压变频器的指标主要有：成本，可靠性，对电网的谐波污染，输入功 率因数，输出谐波，dv/dt，共模电压，系统效率，能否四象限运行等。 顺便指出，我们习惯称作的高压变频器，实际上电压一般为2.3-10KV， 国内主要为3KV，6KV和10KV，和电网电压相比，只能算作中压，故 国外常称为Medium Voltage Drive。 高压变频器正向着高可靠性，低成本，高输入功率因数，高效 率，低输入输出谐波，低共模电压，低dv/dt等方向发展。电流源 型变频器技术成熟，且可四象限运行，但由于高压时器件串联的 均压问题，输入

24、谐波对电网的影响和输出谐波对电机的影响等问 题，使其应用受到限制。对风机和水泵等一般不要求四象限运行 的设备，单元串联多电平PWM电压源型变频器在输入，输出谐 波，效率和输入功率因数等方面有明显的优势，具有较大的应用 前景。对于轧机，卷扬机等要求四象限运行和动态性能较高的场 合，双PWM结构的三电平电压源型变频器会得到广泛的应用。 2、中高压变频技术的发展趋势、中高压变频技术的发展趋势 中高变频技术是强弱电混合，机电一体的综合技术，既要处理巨大电能 的转换（整流、逆变），又要处理信息的收集、变换和传输，因此它必定 会分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题， 后者要解决的软

25、硬件控制问题3。因此，未来高压变频调速技术也将在这 两方面得到发展，其主要表现为： 1) 高压变频器将朝着大功率，小型化，轻型化的方向发展； 2) 高压变频器将向着直接器件高压和多重叠加（器件串联和单元串联） 两个方向发展； 3) 更高电压、更大电流的新型电力半导体器件将应用在高压变频器中； 4) 现阶段 IGBT、IGCT、SGCT 仍将扮演着主要的角色，SCR、GTO 将会退 出变频器市场； 5) 无速度传感器的矢量控制、磁通控制和直接转矩控制等技术的应用将 趋于成熟； 6) 全面实现数字化和自动化：参数自设定技术，过程自优化技术，故障 自诊断技术； 7) 应用 32 位MCU、DSP 及

26、ASIC 等器件，实现变频器的高精度，多功能； 8) 相关配套行业正朝着专业化，规模化发展，社会分工将更加明显。 3、高压变频的基本原理及应用器件、高压变频的基本原理及应用器件 中高压变频器常用的电力电子器件及分类中高压变频器常用的电力电子器件及分类 电力电子器件是指用半导体材料制成的大功率电子器 件，20 世纪50 年代以来，已发展了不同类型的器件，大 致可以按照控制程度、载流子类型、集成度或按芯片材 料等方法分类见图。 电力电子器件作为变频器的开关器件，且主要作为逆变器的开关器件， 其发展水平成为了目前高压变频器迅速发展的重要因素。用于变频器的 电力电子器件，应具有以下的特征：在正常开通状

27、态下，通流量大，导 通压降小；在正常关断的情况下，能承受高电压，且漏电流小；在正常 的开关状态转换下，开通与关断时间短，即开关频率高，而且能承受高 的du / dt ；有全控功能；寿命长、结构紧凑、体积小、散热性能良好等。 在高压变频器中，常用的电力电子器件主要有电力二极管、晶闸管、 GTO晶闸管、IGBT、IGET、IGCT等，在前面的课程当中已经包含其详细 的特点及性能介绍。 电力传动系统运动及相关特性： 电力传动系统运动方程式电力传动系统运动方程式 T电机转矩T负载转矩 dn T电机力矩T负载阻力 dt J P电机功率= T电机转矩N电机速度K常数 M T电机转矩 T负载转矩 中间传动机

28、构终端机械 T电机转矩T负载转矩加速运行 T电机转矩T负载转矩减速运行 T电机转矩T负载转矩恒速运行 电机转矩控制性能是影响电气传动系统性能高低的最重要因素 加减速时间和电机转矩、负载转矩以及系统惯量有关 电动机电动机 传动机构 生产机械 负载特性 T负载转矩 摩擦恒转矩 l生产流水线 l起重行走 势能恒转矩 l电梯 l起重机提升 负载转矩大小与与转速无关负载转矩大小与与转速无关 恒功率 （速度越低，速度越低， 负载转矩越大）负载转矩越大） l机床 l开卷机/收卷机 变转矩 （速度越低，负载速度越低，负载 转矩越小）转矩越小） l风机水泵 4、高压变频控制类型、高压变频控制类型1电流源型变频器

29、电流源型变频器 电流源型变频器(CSI：Current Source Inverter)采用大电感作为中间直 流滤波环节。整流电路一般采用晶闸管作为功率器件，少数也有采用 GTO的，主要目的是采取电流PWM控制，以改善输入电流波形。逆变部 分一般采用晶闸管或GTO作为功率器件。由于存在着大的平波电抗器和 快速电流调节器，所以过电流保护比较容易。当逆变侧出现短路等故障 时，由于电抗器存在，电流不会突变，而电流调节器则会迅速响应，使 整流电路晶闸管的触发角迅速后移，电流能控制在安全范围内。为了对 接地短路也实现保护，通常把滤波电抗器分为两半，上下直流母线各串 一半。电流源型变频器的一大优点是能量可

30、以回馈电网，系统可以四象 限运行。虽然直流环节电流的方向不能改变，但整流电压可以反向(当 整流电路工作在有源逆变状态时)，能量可以回馈到电网。 电流源型变频器种类较多，主要有串联二极管式，输出滤波器换相式， 负载换相式和GTO-PWM式等。其中，前三种电流源型变频器的逆变功率 器件都采用晶闸管，输出采用120导通方式。GTO-PWM式电流源型变频 器采用GTO作为功率器件，逆变器一般采取电流PWM控制方式。在系统 控制上，电流源型变频器在一般应用时采取电压-频率协调控制。与电压 源型变频器可以直接控制输出电压不同，电流源型变频器的输出电压是 由输出电流及负载决定的，所以为了实现电压频率协调控制

31、，必须设置 电压环以实现输出电压的闭环控制。高性能时，通常采取磁场定向矢量 控制，采用常见的转速电流双闭环，通过速度和磁通闭环调节器分别得 到定子电流的转矩分量和励磁分量，经过极坐标变换，得到定子电流幅 值和负载角，定子电流的幅值作为电流环的给定值，控制晶闸管整流电 路实现定子电流的闭环控制，负载角和同步旋转坐标系的位置角迭加在 一起，用于逆变侧晶闸管的触发脉冲分配。 电流源型变频器对电网电压的波动较为敏感，一般电网电压下降15% ，变频器就会跳闸停机。 电流源型变频器种类较多，主要有串联二极管式，输出滤波器换相式， 负载换相式和GTO-PWM式等。其中，前三种电流源型变频器的逆变功率 器件都

32、采用晶闸管，输出采用120导通方式。GTO-PWM式电流源型变 频器采用GTO作为功率器件，逆变器一般采取电流PWM控制方式。在系 统控制上，电流源型变频器在一般应用时采取电压-频率协调控制。与电 压源型变频器可以直接控制输出电压不同，电流源型变频器的输出电压 是由输出电流及负载决定的，所以为了实现电压频率协调控制，必须设 置电压环以实现输出电压的闭环控制。高性能时，通常采取磁场定向矢 量控制，采用常见的转速电流双闭环，通过速度和磁通闭环调节器分别 得到定子电流的转矩分量和励磁分量，经过极坐标变换，得到定子电流 幅值和负载角，定子电流的幅值作为电流环的给定值，控制晶闸管整流 电路实现定子电流的

33、闭环控制，负载角和同步旋转坐标系的位置角迭加 在一起，用于逆变侧晶闸管的触发脉冲分配。 5 5、高压变频控制类型、高压变频控制类型22三电平变频器三电平变频器 三电平逆变器一相的基本结构，V1-V4 代表 一相桥臂中的4 个功率开关，DF1-DF4 为反并联 的续流二极管，DC1，DC2 为箝位二极管，所有 的二极管要求有与功率开关相同的耐压等级。 Ed 为一组电容二端电压，C 为中心点。 对于每相桥臂通过控制功率器件V1-V4 的开通，关断，在桥臂输出 点可获得 三种不同电平+Ed，0，-Ed。 由表1 看出，功率开关V1 和V3 状态是互反的，V2 与V4 也是互 反。同时规定，输出电压只

34、能是+Ed 到0，0 到-Ed，或相反地变 化，不允许在+Ed 和-Ed之间直接变化。所以不存在二个器件同时 导通或同时关断，也就不存在动态均压问题。对于由三个桥臂组 成的三相逆变器，根据三相桥臂U，V，W 的不同开关组合，最 终可得到三电平变频器的33=27 种开关模式，见表2。 采用中心点箝位方式使输出增加了一个电平，输出电压的台阶降 低了一半，而且很重要的一点是增加了输出PWM 控制的自由度， 使输出波形质量在同等开关频率条件下有较大的提高。图9 为一三 电平变频器主电路结构图。 整流电路采用12 脉冲二极管整流结构。逆变部分功率器件可以采用 IGCT，反并联续流二极管集成在IGCT 中

35、。由于受到器件开关损耗， 尤其是关断损耗的限制，IGCT的开关频率为600HZ 左右。直流环节 用二组电容分压，得到中心点。直流环节还有di/dt 限制电路，共模电 抗器，保护用IGCT 等。di/dt 限制电路主要由di/dt 限制电抗器，与之 反并联的续流二极管和电阻组成，因为IGCT 器件本身不能控制di/dt， 所以必须通过外加di/dt 限制电路，使逆变器IGCT 反并联续流二极管 的反向恢复控制在安全运行范围内，同时该电路也用于限制短路时的 电流上升率。共模电抗器一般在变压器与变频器分开安置，且变压器 副边和整流桥输入之间电缆较长时采用，当变压器和变频器一起放置 时，可以省去。 其

36、作用主要是承担共模电压和限制高频漏电流，因为当输出设置滤波器时， 由于滤波电容的低阻抗，电机承受的共模电压极小，共模电压由输入变压器 和逆变器共同承担，当变压器与变频器之间电缆较长，线路分布电容较大， 容抗下降，导致变压器承受的共模电压下降，逆变器必须承受较高的共模电 压，影响功率器件安全，共模电抗器就是设计用来承受共模电压的。另外高 频的共电压还会通过输出滤波电容，变压器分布电容，电缆分布电容形成通 路，产生高频漏电流，影响器件安全，共模电抗器也起到抑制高频漏电流的 作用。保护用IGCT 的作用是当逆变器发生短路等故障时，切断短路电流， 起到相当于快熔的作用。由于逆变电路采用IGCT 作为功

37、率器件，而IGCT 本身不象IGBT 那样存在过电流退饱和效应，可以通过检测集电极电压上升 来进行短路检测，并通过门极关断进行保护，所以必须通过霍尔电流传感器， 检测到过电流，然后通过串联在上下直流母线的二个保护用IGCT 进行关断。 由于直流环节存在共模电抗器和di/dt 限制电抗器，导致整流桥输出和滤波电 容之间存在较大阻抗，这样电网的浪涌电压要通过整流桥形成浪涌电流，再 通过滤上海艾帕电力电子有限公司波电容吸收的效果大大降低，为了保护整 流二极管免受浪涌电压的影响，在整流桥输出并联了阻容吸收电路。箝位二 极管保证了桥臂中最外侧的两个IGCT 承受的电压不会超过一半的直流母线 电压，确切地

38、说，应该是对应侧滤波电容的电压，所以最外侧的两个IGCT 不存在过压问题。 内侧的两个器件仍要并联电阻，以防止产生过压。因为在同侧二个器 件同时处于阻断状态时，内侧的器件承受的电压可能超过一半的直流母 线电压，具体电压取决于同侧二个器件的漏电流匹配关系。如果不加输 出滤波器，三电平变频器输出时电机电流总谐波失真可以达到17%左右， 会引起电机谐波发热，转矩脉动。输出电压跳变台阶为一半直流母线电 压，dv/dt也较大，会影响电机绝缘，所以一般需配特殊电机。若要使用 普通电机，必须附加输出滤波器。输出滤波器有dv/dt 滤波器和正弦波滤 波器二种，dv/dt 滤波器容量较小，只对电压变化率起抑制作

39、用，使电机 绝缘不受dv/dt 的影响，对电机运行动态性能的影响较小，如果系统动态 性能要求较高时，适合采用，而且成本较低。正弦波滤波器容量较大， 输出电压波形可大大改善，接近正弦波，由于滤波器的阻抗较低，而且 滤波器中点接地，使电机承受的共模电压很小，电机绝缘不受影响。正 弦波滤波器的滞后作用会影响系统的动态相应，同时由于滤波器对输出 电压的衰减作用，也会限制变频器的最低运行频率。由于滤波器采取低 通设计，还限制了变频器的输出上限频率。滤波器在满载时的损耗会降 低变频系统效率0.5%左右。 图10 为三电平变频器输出电压和经滤波器后输出至电机的电压波形。图 11a 和11b 分别显示了未经滤

40、波和经滤波后电压的谐波分布图。滤波前， 输出总电压谐波失真为29%，经过滤波后，可降低到4%左右，电机的电 流谐波失真可从17%降低到2%左右 除了前面提到的采用二极管箝位式的三电平或多电平变频器，还有 采用电容飞跨箝位式的多电平变频器，如图21 所示，限于篇幅，详细 原理不再介绍。 6 单元串联多电平单元串联多电平PWM 电压源型变频器电压源型变频器 单元串联多电平PWM 电压源型变频器采用若干个低压PWM 变频功 率单元串联的方式实现直接高压输出。该变频器具有对电网谐波污染小 ，输入功率因数高，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置。输 出波形好，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动，

41、噪音，输出 dv/dt，共模电压等问题，可以使用普通的异步电机。 除了前面提到的采用二极管箝位式的三电平或多电平变频器，还有采 用电容飞跨箝位式的多电平变频器，如图21 所示，限于篇幅，详细原理 不再介绍。 6 单元串联多电平单元串联多电平PWM 电压源型变频器电压源型变频器 单元串联多电平PWM 电压源型变频器采用若干个低压PWM 变频功率 单元串联的方式实现直接高压输出。该变频器具有对电网谐波污染小， 输入功率因数高，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置。输出 波形好，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动，噪音，输出dv/dt ，共模电压等问题，可以使用普通的异步电机。 3.1 单元

42、串联多电平变频器原理单元串联多电平变频器原理 单元串联多电平变频器采用若干个独立的低压功率单元串联的方式来 实现高压输出，其原理如图22a 所示。6KV 输出电压等级的变频器主电路 结构如图22b。电网电压经过副边多重化的隔离变压器降压后给功率单元 供电，功率单元为三相输入，单相输出的交直交PWM 电压源型逆变器结 构(图22c)，相邻功率单元的输出端串接起来，形成Y 接结构，实现变压 变频的高压直接输出，供给高压电动机。每个功率单元分别由输入变压 器的一组副边供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。 对于额定输出电压为6KV 的变频器，每相由5 个额定电压为690V 的功率单元串 联

43、而成，输出相电压最高可达3450V，线电压可达6KV 左右，每个功率单元承受 全部的输出电流，但只提供1/5 的相电压和1/15 的输出功率。当每相由3 个额定 电压为480V 的功率单元串联时，变频器输出额定电压为2300V，当每相由4 个 额定电压为480V 的功率单元串联时，变频器输出额定电压为3300V，当每相由5 个额定电压为480V 的功率单元串联时，变频器输出额定电压为4160V，当每相 由5 个额定电压为1275V 的功率单元串联时，变频器输出额定电压为10KV 左右。 所以，单元的电压等级和串联数量决定变频器输出电压，单元的电流额定决定变 频器输出电流。由于不是采用传统的器件

44、串联的方式来实现高压输出，而是采用 整个功率单元串联，所以不存在器件串联引起的均压问题。这种变频器的一个发 展方向是采用额定电压较高的功率单元，比如额定电压为1275V 的单元，单元 内可采用3300V 的IGBT，以达到在满足输入，输出波形质量要求的前提下，尽 量减少每相串联单元的个数，降低成本。 输入变压器实行多重化设计，以达到降低输入谐波电流的目的。以 6KV 变频器为例，变压器的15 个副边，采用延边三角形接法，分为5 个不同的相位组，互差12电角度，形成30 脉冲的二极管整流电路结构， 所以理论上29 次以下的谐波都可以消除，输入电流波形接近正弦波， 总的谐波电流失真可低于1%，见图23。即使对于每相3个功率单元串联 的结构(2