1、論文摘要：在電機漏感上減小的情況下，可以相應地降低功率半導體器件的耐壓要求，為了減小換流時間以提高逆變器的運行頻率，也要求降低電動機的總漏感上。下述問題涉及電流型逆變器內部結構，以串聯二極管式電流型逆變器為討論對象。對異步電動機的從逆變器元件的選擇對電機參數的要求。串聯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。可以看到，在電機漏感上減小的情況下，可以相應地降低功率半導體器件的耐壓要求。另外，二極管換流階段的持續時間可確定。為了減小換流時間以提高逆變器的運行頻率，也要求降低電動機的總漏感上。因而，電流型逆變器要求異步電動機有盡可能小的漏感上。這一點正好與電壓型逆變器對異步電動機的要

2、求相反。在功率半導體器件耐壓已知的情況下，應合理地選擇電動機，以減小換流電容器的電容量。從電動機運行的安全可靠性對電動機材料的要求，電動機在電流型逆變器供電的運行過程中，由干每次換流在電壓波形中產生尖峰。這個尖峰在數值上等于I,差加千正線電勢波形之上。因此，電動機在運行過程中實際承受的最高電壓，于電動機額定線電壓的峰值。為了電動機安全地運行，應適當加強其絕緣。由于電流矩形波對電動機供電在電動機內造成諧波損耗，逆變器在高于50赫的情況下運行時，電動機的損壞也有所增加。為了不致因電機效率過低和溫升過高造電動機過熱而損壞，應適當降低電動機銅鐵材料的電負荷。在運行頻率較高的情況下，應注意降低電動機的機

3、械損耗和鐵耗。起動轉矩和避免機振對電動機結構的要求。電動機低頻起動時，起動轉矩的平均值和轉矩的波動率。起動轉矩在某頻率時具有最大值。它取決于電動機參數。當頻率低于出現最大起動轉矩的數值時，轉矩的波動率急劇增加。因此，應根據運行要求和特性等決定最佳起動頻率或電動機參數。此外，即使在逆變器對電動機供電的正常運行情況下，轉矩波形中也含有六倍于逆變器輸出頻率的脈動轉矩。為了避免這種脈動轉矩造成的機械系統諧振，應使機械系統的諧振頻率與逆變器運行頻率范圍的六倍相互錯開。對于功率半導體器件的要求。在串聯二極管式電流型逆變器中，在觸發一個晶閘管，用電容電壓關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

4、壓過零需要一段時間，這就保證被關斷晶閘管有較長的承受反壓的時間。如果說，電壓型逆變器對于晶閘管元件的關斷時間有較高的要求(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機釋放漏感貯能所產生的。特別是在運行頻率較高的場合，在為了縮短換流時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重。浪涌電壓將直接威脅功率半導體器件和電動機的安全運行。為了減小這種影響，可以在逆變器輸出端，與負載電動機并聯

5、一個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(1112)倍以內。有源逆變器型式，可以使箝位電壓保持一定。逆變器運行的可靠性問題。在逆變器的直流側設有乎波大電感上，在電流閉環的作用下，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，也不會造成大電流而損壞元件，因此，電流型逆變器的衛作是可靠的。能夠實現電能再生。在電動機降頻減速時，系統能自動地運行于再生狀態，可把機械能有效地轉變為電能，并縮短電動機的減速時間。此時，逆變器與整流器直流側電壓的極性反號，而電流的流向保持不變，功率由電動機經

6、逆變器和整流器流向交流電源，實現再生制動。因此，電流型逆變器能夠方便地實現四象限運行，其動態特性好，容易滿足快速及可逆系統的要求。使用電流型逆變器除了用于要求電變頻調速的系統以外，近年來在下述兩個方面受到較大的關注。(1)用于泵、風機、增壓機等機械的節能。過去這些機械常用恒頻的交流電機拖動，在流量、壓力要求變化時，用調節閥門的蘐蕓方法以滿足要求。這樣，就白白地浪費了大量的電能。電流型逆變器因有許多使用上的優點，并且采用變頻調速，可以減小這些機械低速時的電能消耗，以達到節電的目的。(2)作為電動機的起動器。交流電動機采用直接投入電網(電力電源)的起動方法，不僅對于電網的沖擊很大，可能造成與電網聯

7、接的其它用電設備的不正常運行，因而不適用于經常要求起動的設備。而且直接投入電網的起動方法對于交流電動機和生產機械也產生較大的沖擊，因而容易損壞設備。采用電流型逆變器向交流電動機供電，可以用低頻起動，逐步增高逆變器輸出頻率和電機的轉速，最后向步切換到電力電源上。因此，可以減輕對電網的沖擊，以及減小電機和機械的應方口作為起動器，特別在生產機械無載起動的情況下，逆變器的設計容量可大為減小。電流型逆變器主要有以下特點：直流側接有大電感，相當于電流源，直流電源基本無脈動，直流回路呈現高阻抗。各開關器件主要起改變直流電流流通路徑的作用，故交流側電流為矩形波，與負載性質無關，而交 流側電壓波形和相位因負載阻

8、抗角的不同而異，其波形常接近正弦波。直流側電感起緩沖無功能量的作用，因電流不能反向，故可控器件不必反并聯二極管。逆變器從直流側向交流側傳送的功率是脈動的，因直流電流無脈動，故傳送功率的脈動是由直流電 壓的脈動來實現的。當用于交-直-交變頻器且負截為電動機時，若交-直變換為可控整流，可方便地實現再生制動，只需 讓可控整流工作于逆變狀態即可。比較電壓型逆變器和電流型逆變器的特點先兩者都屬于交-直-交變頻器，由整流器和逆變器兩部分組成。由于負載一般都是感性的，它和電源之間必有無功功率傳送，因此在中間的直流環節中，需要有緩沖無功功率的元件。如果采用大電容器來緩沖無功功率，則構成電壓源型變頻器；如采用大

9、電抗器來緩沖無功功率，則構成電流源型變頻器。電壓型變頻器和電流型變頻器的區別僅在于中間直流環節濾波器的形式不同，但是這樣一來，卻造成兩類變頻器在性能上相當大的差異，主要表現列表比較如下：電壓型變頻器與電流型變頻器的性能比較1、儲能元件：電壓型變頻器電容器；電流型電抗器。2、輸出波形的特點：電壓形電壓波形為矩形波電流波形近似正弦波；電流型變頻器則為電流波形為矩形波電壓波形為近似正弦波3、回路構成上的特點，電壓型有反饋二極管直流電源并聯大容量電容（低阻抗電壓源）；電流型無反饋二極管直流電源串聯大電感（高阻抗電流源）電動機四象限運轉容易。4、特性上的特點，電壓型為負載短路時產生過電流，開環電動機也可

10、能穩定運轉；電流型為負載短路時能抑制過電流，電動機運轉不穩定需要反饋控制電流型逆變器采用自然換流的晶閘管作為功率開關，其直流側電感比較昂貴，而且應用于雙饋調速中，在過同步速時需要換流電路，在低轉差頻率的條件下性能也比較差；高壓變頻器的結構特征1.1電流型變頻器變頻器的直流環節采用了電感元件而得名，其優點是具有四象限運行能力，能很方便地實現電機的制動功能。缺點是需要對逆變橋進行強迫換流，裝置結構復雜，調整較為困難。另外，由于電網側采用可控硅移相整流，故輸入電流諧波較大，容量大時對電網會有一定的影響。1.2電壓型變頻器由于在變頻器的直流環節采用了電容元件而得名，其特點是不能進行四象限運行，當負載電

11、動機需要制動時，需要另行安裝制動電路。功率較大時，輸出還需要增設正弦波濾波器。1.3高低高變頻器;采用升降壓的辦法，將低壓或通用變頻器應用在中、高壓環境中而得名。原理是通過降壓變壓器，將電網電壓降到低壓變頻器額定或允許的電壓輸入范圍內，經變頻器的變換形成頻率和幅度都可變的交流電，再經過升壓變壓器變換成電機所需要的電壓等級。這種方式，由于采用標準的低壓變頻器，配合降壓，升壓變壓器，故可以任意匹配電網及電動機的電壓等級，容量小的時侯（500KW）改造成本較直接高壓變頻器低。缺點是升降壓變壓器體積大，比較笨重，頻率范圍易受變壓器的影響。一般高低高變頻器可分為電流型和電壓型兩種。1.3.1高低高電流型

12、變頻器在低壓變頻器的直流環節由于采用了電感元件而得名。輸入側采用可控硅移相控制整流，控制電動機的電流，輸出側為強迫換流方式，控制電動機的頻率和相位。能夠實現電機的四象限運行。1.3.2高低高電壓型變頻器在低壓變頻器的直流環節由于采用了電容元件而得名。輸入側可采用可控硅移相控制整流，也可以采用二極管三相橋直接整流，電容的作用是濾波和儲能。逆變或變流電路可采用GTO,IGBT,IGCT,或,SCR元件，通過SPWM變換，即可得到頻率和幅度都可變的交流電，再經升壓變壓器變換成電機所需要的電壓等級。需要指出的是，在變流電路至升壓變壓器之間還需要置入正弦波濾波器（F），否則升壓變壓器會因輸入諧波或dv/

13、dt過大而發熱，或破壞繞組的絕緣。該正弦波濾波器成本很高，一般相當于低壓變頻器的1/3到1/2的價格。1.4高高變頻器高高變頻器無需升降壓變壓器，功率器件在電網與電動機之間直接構建變換器。由于功率器件耐壓問題難于解決，目前國際通用做法是采用器件串聯的辦法來提高電壓等級，其缺點是需要解決器件均壓和緩沖難題，技術復雜，難度大。但這種變頻器由于沒有升降壓變壓器，故其效率較高低高方式的高，而且結構比較緊湊。高高變頻器也可分為電流型和電壓型兩種。1.4.1高高電流型變頻器它采用GTO，SCR或IGCT元件串聯的辦法實現直接的高壓變頻，目前電壓可達10KV。由于直流環節使用了電感元件，其對電流不夠敏感，因

14、此不容易發生過流故障，逆變器工作也很可靠，保護性能良好。其輸入側采用可控硅相控整流，輸入電流諧波較大。變頻裝置容量大時要考慮對電網的污染和對通信電子設備的干擾問題。均壓和緩沖電路，技術復雜，成本高。由于器件較多，裝置體積大，調整和維修都比較困難。逆變橋采用強迫換流，發熱量也比較大，需要解決器件的散熱問題。其優點在于具有四象限運行能力，可以制動。需要特別說明的是，該類變頻器由于較低的輸入功率因數和較高的輸入輸出諧波，故需要在其輸入輸出側安裝高壓自愈電容。1.4.2高高電壓型變頻器電路結構采用IGBT直接串聯技術，也叫直接器件串聯型高壓變頻器。其在直流環節使用高壓電容進行濾波和儲能，輸出電壓可達6

15、KV，其優點是可以采用較低耐壓的功率器件，串聯橋臂上的所有IGBT作用相同，能夠實現互為備用，或者進行冗余設計。缺點是電平數較低，僅為兩電平，輸出電壓dV/dt也較大，需要采用特種電動機或整加高壓正弦波濾波器，其成本會增加許多。它不具有四象限運行功能，制動時需另行安裝制動單元。這種變頻器同樣需要解決器件的均壓問題，一般需特殊設計驅動電路和緩沖電路。對于IGBT驅動電路的延時也有極其苛刻的要求。一旦IGBT的開通、關閉的時間不一致，或者上升、下降沿的斜率相差太懸殊，均會造成功率器件的損壞.1.5嵌位型變頻器鉗位型變頻器一般可分為二極管鉗位型和電容鉗位型。1.5.1二極管嵌位型變頻器它既可以實現二

16、極管中點嵌位，也可以實現三電平或更多電平的輸出，其技術難度較直接器件串聯型變頻器低。由于直流環節采用了電容元件，因此它仍屬于電壓型變頻器。這種變頻器需要設置輸入變壓器，它的作用是隔離與星角變換，能夠實現12脈沖整流，并提供中間嵌位零電平。通過輔助二極管將IGBT等功率器件強行嵌位于中間零電平上，從而使IGBT兩端不會因過壓而燒毀，又實現了多電平的輸出。這種變頻器結構，輸出可以不安裝正弦波濾波器。1.5.2電容嵌位型變頻器它采用同橋臂增設懸浮電容的辦法實現了功率器件的嵌位，目前這種變頻器應用的比較少。1.6單元串聯型變頻器這是近幾年才發展起來的一種電路拓撲比較電壓型逆變器和電流型逆變器的特點先兩

17、者都屬于交-直-交變頻器，由整流器和逆變器兩部分組成。由于負載一般都是感性的，它和電源之間必有無功功率傳送，因此在中間的直流環節中，需要有緩沖無功功率的元件。如果采用大電容器來緩沖無功功率，則構成電壓源型變頻器；如采用大電抗器來緩沖無功功率，則構成電流源型變頻器。電壓型變頻器和電流型變頻器的區別僅在于中間直流環節濾波器的形式不同，但是這樣一來，卻造成兩類變頻器在性能上相當大的差異，主要表現列表比較如下：電壓型變頻器與電流型變頻器的性能比較1、儲能元件：電壓型變頻器電容器；電流型電抗器。2、輸出波形的特點：電壓形電壓波形為矩形波電流波形近似正弦波；電流型變頻器則為電流波形為矩形波電壓波形為近似正

18、弦波3、回路構成上的特點，電壓型有反饋二極管直流電源并聯大容量電容（低阻抗電壓源）；電流型無反饋二極管直流電源串聯大電感（高阻抗電流源）電動機四象限運轉容易。4、特性上的特點，電壓型為負載短路時產生過電流，開環電動機也可能穩定運轉；電流型為負載短路時能抑制過電流，電動機運轉不穩定需要反饋控制電流型逆變器采用自然換流的晶閘管作為功率開關，其直流側電感比較昂貴，而且應用于雙饋調速中，在過同步速時需要換流電路，在低轉差頻率的條件下性能也比較差；高壓變頻器的結構特征1.1電流型變頻器變頻器的直流環節采用了電感元件而得名，其優點是具有四象限運行能力，能很方便地實現電機的制動功能。缺點是需要對逆變橋進行強

19、迫換流，裝置結構復雜，調整較為困難。另外，由于電網側采用可控硅移相整流，故輸入電流諧波較大，容量大時對電網會有一定的影響。1.2電壓型變頻器由于在變頻器的直流環節采用了電容元件而得名，其特點是不能進行四象限運行，當負載電動機需要制動時，需要另行安裝制動電路。功率較大時，輸出還需要增設正弦波濾波器。1.3高低高變頻器;采用升降壓的辦法，將低壓或通用變頻器應用在中、高壓環境中而得名。原理是通過降壓變壓器，將電網電壓降到低壓變頻器額定或允許的電壓輸入范圍內，經變頻器的變換形成頻率和幅度都可變的交流電，再經過升壓變壓器變換成電機所需要的電壓等級。這種方式，由于采用標準的低壓變頻器，配合降壓，升壓變壓器

20、，故可以任意匹配電網及電動機的電壓等級，容量小的時侯（500KW）改造成本較直接高壓變頻器低。缺點是升降壓變壓器體積大，比較笨重，頻率范圍易受變壓器的影響。一般高低高變頻器可分為電流型和電壓型兩種。1.3.1高低高電流型變頻器在低壓變頻器的直流環節由于采用了電感元件而得名。輸入側采用可控硅移相控制整流，控制電動機的電流，輸出側為強迫換流方式，控制電動機的頻率和相位。能夠實現電機的四象限運行。1.3.2高低高電壓型變頻器在低壓變頻器的直流環節由于采用了電容元件而得名。輸入側可采用可控硅移相控制整流，也可以采用二極管三相橋直接整流，電容的作用是濾波和儲能。逆變或變流電路可采用GTO,IGBT,IG

21、CT,或,SCR元件，通過SPWM變換，即可得到頻率和幅度都可變的交流電，再經升壓變壓器變換成電機所需要的電壓等級。需要指出的是，在變流電路至升壓變壓器之間還需要置入正弦波濾波器（F），否則升壓變壓器會因輸入諧波或dv/dt過大而發熱，或破壞繞組的絕緣。該正弦波濾波器成本很高，一般相當于低壓變頻器的1/3到1/2的價格。1.4高高變頻器高高變頻器無需升降壓變壓器，功率器件在電網與電動機之間直接構建變換器。由于功率器件耐壓問題難于解決，目前國際通用做法是采用器件串聯的辦法來提高電壓等級，其缺點是需要解決器件均壓和緩沖難題，技術復雜，難度大。但這種變頻器由于沒有升降壓變壓器，故其效率較高低高方式的高，而且結構比較緊湊。高高變頻器也可分為電流型和電壓型兩種。1.4.1高高電流型變頻器它采用GTO，SCR或IGCT元件串聯的辦法實現直接的高壓變頻，目前電壓可達10KV。由于直流環節使用了電感元件，其對電流不夠敏感，因此不容易發生過流故障，逆變器工作也很可靠，保護性能良好。其輸入側采用可控硅相控整流，輸入電流諧波較大。變頻裝置容量大時要考慮對電網的污染和對通信電子設備的干擾問題。均壓和緩沖電路，技術復雜，成本高。由于器件較多，裝置體積大，調整和維修都比較困難。逆變橋采用強迫換流，發熱量也比較大，需要解決器件的散熱問