電流型逆變器問題應(yīng)用研究

曹樹棟

摘要：在電機(jī)漏感上減小的情況下，可以相應(yīng)地降低功率半導(dǎo)體器件的耐壓要求，為了減小換流時(shí)間以提高逆變器的運(yùn)行頻率，也要求降低電動(dòng)機(jī)的總漏感上。

關(guān)鍵詞：逆變器 電動(dòng)機(jī) 電勢

下述問題涉及電流型逆變器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以串聯(lián)二極管式電流型逆變器為討論對象。對異步電動(dòng)機(jī)的從逆變器元件的選擇對電機(jī)參數(shù)的要求。

串聯(lián)二極管式電流型逆變器的品閘管和隔離二極管可以確定耐壓值?？梢钥吹?，在電機(jī)漏感上減小的情況下，可以相應(yīng)地降低功率半導(dǎo)體器件的耐壓要求。另外，二極管換流階段的持續(xù)時(shí)間可確定。為了減小換流時(shí)間以提高逆變器的運(yùn)行頻率，也要求降低電動(dòng)機(jī)的總漏感上。因而，電流型逆變器要求異步電動(dòng)機(jī)有盡可能小的漏感上。這一點(diǎn)正好與電壓型逆變器對異步電動(dòng)機(jī)的要求相反。在功率半導(dǎo)體器件耐壓已知的情況下，應(yīng)合理地選擇電動(dòng)機(jī)，以減小換流電容器的電容量。

從電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的安全可靠性對電動(dòng)機(jī)材料的要求，電動(dòng)機(jī)在電流型逆變器供電的運(yùn)行過程中，由干每次換流在電壓波形中產(chǎn)生尖峰。這個(gè)尖峰在數(shù)值上等于I,差加千正線電勢波形之上。因此，電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中實(shí)際承受的最高電壓，于電動(dòng)機(jī)額定線電壓的峰值。為了電動(dòng)機(jī)安全地運(yùn)行，應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)其絕緣。由于電流矩形波對電動(dòng)機(jī)供電在電動(dòng)機(jī)內(nèi)造成諧波損耗，逆變器在高于50赫的情況下運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)的損壞也有所增加。為了不致因電機(jī)效率過低和溫升過高造電動(dòng)機(jī)過熱而損壞，應(yīng)適當(dāng)降低電動(dòng)機(jī)銅鐵材料的電負(fù)荷。在運(yùn)行頻率較高的情況下，應(yīng)注意降低電動(dòng)機(jī)的機(jī)械損耗和鐵耗。

起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和避免機(jī)振對電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的要求。電動(dòng)機(jī)低頻起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的平均值和轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)率。起動(dòng)轉(zhuǎn)矩在某頻率時(shí)具有最大值。它取決于電動(dòng)機(jī)參數(shù)。當(dāng)頻率低于出現(xiàn)最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的數(shù)值時(shí)，轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)率急劇增加。因此，應(yīng)根據(jù)運(yùn)行要求和特性等決定最佳起動(dòng)頻率或電動(dòng)機(jī)參數(shù)。此外，即使在逆變器對電動(dòng)機(jī)供電的正常運(yùn)行情況下，轉(zhuǎn)矩波形中也含有六倍于逆變器輸出頻率的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。為了避免這種脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩造成的機(jī)械系統(tǒng)諧振，應(yīng)使機(jī)械系統(tǒng)的諧振頻率與逆變器運(yùn)行頻率范圍的六倍相互錯(cuò)開。

對于功率半導(dǎo)體器件的要求。在串聯(lián)二極管式電流型逆變器中，在觸發(fā)一個(gè)晶閘管，用電容電壓關(guān)斷另一晶閘管以后爭由恒流對電容器反向充電。由于電容電壓過零需要一段時(shí)間，這就保證被關(guān)斷晶閘管有較長的承受反壓的時(shí)間。如果說，電壓型逆變器對于晶閘管元件的關(guān)斷時(shí)間有較高的要求(郎要求使用快速晶閘管)，那末電流型逆變器由于承受反壓的時(shí)間較長，因而可以使用普通晶閘管元件。在換流過程中以諧振造成了電壓尖峰，因此要求晶閘管元件和隔離二雌有較高的耐壓值。

換流浪涌電壓吸收回路。在正弦電勢波形上迭加的尖峰電壓，是由于換流過程中電動(dòng)機(jī)釋放漏感貯能所產(chǎn)生的。特別是在運(yùn)行頻率較高的場合，在為了縮短換流時(shí)間而選擇較小的換流電容值的情況下，換流浪涌過電壓就更加嚴(yán)重。浪涌電壓將直接威脅功率半導(dǎo)體器件和電動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行。為了減小這種影響，可以在逆變器輸出端，與負(fù)載電動(dòng)機(jī)并聯(lián)一個(gè)換流浪涌電壓吸收回路(也稱為電壓箝位器)，如采用電壓箝位器以后，逆變器的輸出電壓和輸出電流波形如逆變器輸出電壓的尖峰可以限制在正弦電勢峰值的(11~12)倍以內(nèi)。有源逆變器型式，可以使箝位電壓保持一定。

逆變器運(yùn)行的可靠性問題。在逆變器的直流側(cè)設(shè)有乎波大電感上，在電流閉環(huán)的作用下，可以有效地限制故障電流，即使在逆變器換流失敗或短路的情況下，也不會(huì)造成大電流而損壞元件，因此，電流型逆變器的衛(wèi)作是可靠的。

能夠?qū)崿F(xiàn)電能再生。在電動(dòng)機(jī)降頻減速時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)地運(yùn)行于再生狀態(tài)，可把機(jī)械能有效地轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽⒖s短電動(dòng)機(jī)的減速時(shí)間。此時(shí)，逆變器與整流器直流側(cè)電壓的極性反號，而電流的流向保持不變，功率由電動(dòng)機(jī)經(jīng)逆變器和整流器流向交流電源，實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)。因此，電流型逆變器能夠方便地實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，其動(dòng)態(tài)特性好，容易滿足快速及可逆系統(tǒng)的要求。

使用電流型逆變器除了用于要求電變頻調(diào)速的系統(tǒng)以外，近年來在下述兩個(gè)方面受到較大的關(guān)注。(1)用于泵、風(fēng)機(jī)、增壓機(jī)等機(jī)械的節(jié)能。過去這些機(jī)械常用恒頻的交流電機(jī)拖動(dòng)，在流量、壓力要求變化時(shí)，用調(diào)節(jié)閥門的蘐蕓方法以滿足要求。這樣，就白白地浪費(fèi)了大量的電能。電流型逆變器因有許多使用上的優(yōu)點(diǎn)，并且采用變頻調(diào)速，可以減小這些機(jī)械低速時(shí)的電能消耗，以達(dá)到節(jié)電的目的。(2)作為電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)器。交流電動(dòng)機(jī)采用直接投入電網(wǎng)(電力電源)的起動(dòng)方法，不僅對于電網(wǎng)的沖擊很大，可能造成與電網(wǎng)聯(lián)接的其它用電設(shè)備的不正常運(yùn)行，因而不適用于經(jīng)常要求起動(dòng)的設(shè)備。而且直接投入電網(wǎng)的起動(dòng)方法對于交流電動(dòng)機(jī)和生產(chǎn)機(jī)械也產(chǎn)生較大的沖擊，因而容易損壞設(shè)備。采用電流型逆變器向交流電動(dòng)機(jī)供電，可以用低頻起動(dòng)，逐步增高逆變器輸出頻率和電機(jī)的轉(zhuǎn)速，最后向步切換到電力電源上。因此，可以減輕對電網(wǎng)的沖擊，以及減小電機(jī)和機(jī)械的應(yīng)方口作為起動(dòng)器，特別在生產(chǎn)機(jī)械無載起動(dòng)的情況下，逆變器的設(shè)計(jì)容量可大為減小?！?/p>

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作者單位：西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 05級電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)（2）班