高壓變頻器
發布時間：2009-09-22 來源：揚子工具集團 瀏覽次數:43398普通電流源型變頻器的輸出電流不是正弦波，而是120°的方波，電機的電磁轉矩
除了平均轉矩以外，還有脈動分量。脈動轉矩的平均值為0，但它會使轉子的轉速不
均勻，產生脈動，在電機低速時，還會發生步進現象，在適當的條件下，可能引起電
機與負載組成的機械系統的共振。脈動轉矩主要是由基波旋轉磁通和轉子諧波電流相
互作用產生的。在三相電機中，產生脈動轉矩的主要是6n±1 次諧波。6 脈沖輸出電流
源型變頻器輸出電流中含有豐富的5 次和7 次諧波，5 次諧波產生的旋轉磁勢與基波
旋轉磁勢反向，7 次諧波產生的旋轉磁勢與基波旋轉磁勢同向，而電機轉子的電氣旋
轉速度基本接近基波磁勢的旋轉速度(二者的差別對應于電機的轉差率)，所以5 次諧
波磁勢和7 次諧波磁勢都會在電機轉子中切割感應產生6 倍于基波頻率的轉子諧波電
流。基波旋轉磁勢和6 倍頻的轉子諧波電流共同作用，產生6 倍頻的脈動轉矩，所以
6 脈沖輸出電流源型變頻器含有較大的6 倍頻脈動轉矩。同樣，11 次和13 次諧波電流
也會產生12 倍頻的脈動轉矩。圖42 為6 脈沖輸出電流源型變頻器在輸出頻率為30HZ
時的轉矩脈動值(圖中縱坐標采用對數坐標)。電流源型變頻器采用12 脈沖多重化后，
輸出電流波形有較大改善，由于5 次和7 次諧波基本抵消，6 倍頻率脈動轉矩大大降
低，剩下主要為12 倍頻的脈動轉矩，總的轉矩脈動明顯降低。
圖42 電流源型變頻器轉矩脈動
脈動轉矩在低速時對電機轉速的影響尤為明顯。因為，對三相電機而言，由于
6n±1 次諧波存在，產生的電磁轉矩為Σ∞
=
= + +
1
0 1 cos(6 )
n
m m M M M nω t ϕ ，
其中，Mm為轉矩脈動分量的最大值， 1
ω 為變頻器輸出基波電壓的角頻率。
根據電機運動方程，可得由于諧波原因引起的電機轉速的脈動分量為
∫Σ Σ∞
=
∞
=
Δ = + = +
1
1
1 1
1 sin(6 )
6
1 cos(6 ) 1
n
m
m
n
m m n t
n
M
J
M n t
J
ω ϕ
ω
ω ω ϕ
由上式可知，電機的轉速脈動有以下規律：轉速脈動頻率分別為電機基波角頻率
1 ω
的6n 倍，其幅值與變頻器輸出的基波角頻率1
ω (或頻率f)成反比，即輸出頻率(或
電機轉速)越低，轉速波動越大，也就是說，電機在低速運行情況下，為了使轉速波動
量維持在同一水平，對輸出諧波抑制的要求更高。轉速脈動幅值與變頻器輸出的諧波
次數n 成反比，即低次諧波所引起的轉速脈動比高次諧波的影響更大。所以，要使電
機的轉速脈動較小，首先要消除或抑制變頻器輸出的低次諧波，采取高頻PWM 方法，
將輸出諧波往高頻推移，不失為減少轉速脈動的有效辦法。
三電平變頻器在不采用輸出濾波器時，也會產生較大的脈動轉矩，采用輸出濾波
器后，轉矩脈動可大大降低。
單元串聯多電平變頻器輸出電流諧波較低，電機的轉矩脈動分量極小，圖43 顯
示了單元串聯多電平變頻器在輸出頻率為30HZ 時轉矩脈動值，各次脈動轉矩都在
0.1%以下。
圖43 單元串聯多電平變頻器轉矩脈動
4.2.2 輸出dv/dt 對電機的影響
由于PWM 方式和高速電力電子器件的使用，變頻器輸出電壓變化率dv/dt 對電機
絕緣產生的影響問題也越來越嚴重。dv/dt 取決于二個方面，一是電壓跳變臺階的幅
值，它與變頻器的電壓等級和主電路結構有關，二是逆變器功率器件的開關速度，開
關速度越高，dv/dt 越大。
普通的二電平和三電平PWM 電壓源型變頻器由于輸出電壓跳變臺階較大，相電壓
的跳變分別達到直流母線電壓和一半的直流母線電壓，同時由于逆變器功率器件開關
速度較快，會產生較大的dv/dt。高的dv/dt 相當于在電機線圈上反復施加陡度很大
的沖擊電壓，使電機絕緣承受嚴酷的電應力，尤其當變頻器輸出與電機之間電纜距離
較長時，由于線路分布電感和分布電容的存在，會產生行波反射放大作用，在參數適
合時，加到電機繞組上的電壓會成倍增加，引起電機絕緣損壞。所以這種變頻器一般
需要特殊設計的電機，電機絕緣必須加強。如果要使用普通電機，必須附加輸出濾波
器。在相同輸出電壓等級前提下，采用三電平結構后，相對二電平結構而言，輸出
dv/dt 有所下降，但在不加輸出濾波器時，仍不能符合MGI 的標準。
單元串聯多電平變頻器最大的相電壓跳變等于一個單元的直流母線電壓，對6KV
電壓等級的變頻器而言，約為900V，功率單元所用IGBT 開通時電壓上升時間為
0.3us，dv/dt 約為3000V/us，MGI 標準允許的范圍為1us 內從10%的相電壓峰值變換
到90%的相電壓峰值，對6KV 電機而言，約為3919V/us。所以說這類變頻器輸出
dv/dt 很低，使得電機絕緣不會受到影響，可以使用普通的異步電機。而且由于輸出
dv/dt 很低，不會產生長電纜時行波反射引起的dv/dt 放大問題，對輸出電纜長度沒
有特殊限制，目前使用的最長記錄為20 公里。
4.2.3 共模電壓和軸電流對電機的影響
共模電壓(也叫零序電壓)，是指電機定子繞組的中心點和地之間的電壓。圖44
為典型的電流源型變頻器示意圖(不帶輸入變壓器)。
圖44 典型電流源型變頻器結構圖
由于上下直流母線的濾波電抗器大小相同，而且流過相同的電流，所以每個電抗
器上的壓降也相同，因此以接地點G 為參考電平，各點電壓符合以下關系，
pG pG nG nG V − E = E −V ，所以有pG nG pG nG V +V = E + E ，二邊除以2，可得，
( ) ( ) mG pG nG pG nG mG V = V +V / 2 = E + E / 2 = E 。由于整流電路在同一時刻只有二相同時導
通，導致整流電路輸出的直流中點電壓不等于供電電源的中心點電壓，即≠ 0 mG V 。圖
45 是在晶閘管觸發角為20°時的各點電壓波形。中點電壓mG V
按照電網電壓三倍的頻率進行變化，在晶閘管觸發角為90°時幅值達到最大。
圖45 電流源型變頻器各點電壓波形
電流源型變頻器逆變器的工作原理與整流器大致相同，因此逆變器輸入直流中點
對電機中心點的電壓mN E 波形與mG V 波形大致相同，只是mN E 的變化頻率為變頻器輸
出頻率的三倍，會隨著變頻器輸出頻率的變化而變化。由于mG mG mN NG V = E = E +V ，
所以共模電壓NG mG mN V = V − E 。由于輸出頻率一般不等于電網頻率，且不斷變化，因
此mG V 和mN E 的組合可以導致共模電壓在某一時刻會達到最大值。由于mG V 和mN E 的最
大值都可以達到額定相電壓峰值的50%，所以共模電壓最大可接近相電壓的峰值，如
果電源的中心點接地，電機的機殼也接地，這樣共模電壓就施加到電機定子繞組的中
心點和機殼之間。這樣高的共模電壓使電機繞組承受的絕緣應力為電網直接運行情況
下的2 倍，嚴重影響電機絕緣。圖46 顯示了一輸出電壓為4160V 的GTO 電流源型變頻
器的共模電壓波形。
圖46 GTO 電流源型變頻器的共模電壓
當沒有輸入變壓器時，共模電壓會直接施加到電機上，增加繞組對地的電應力，
引起絕緣擊穿，影響電機的使用壽命。如果設置輸入變壓器(變壓器二次側中點不能接
地)，則共模電壓由輸入變壓器和電機共同來承擔，按照輸入變壓器原副邊繞組間的分
布電容和電機繞組對機殼間的分布電容(二個容抗串聯)進行分配。由于一般輸入變壓
器的分布電容大大小于電機繞組對機殼的分布電容(比如前者為后者的1/10)，這樣約
90%的共模電壓由輸入變壓器來承擔，只要考慮加強輸入變壓器的絕緣即可，而變壓器
的絕緣加強相對電機要容易得多。如果沒有輸入變壓器，則電機絕緣必須加強，以承
受共模電壓。比如4160V 額定電壓的電機要求采用10KV 的絕緣設計，不能使用標準的
異步電機。MGI 允許6KV 電機可以承受的共模電壓范圍為：基波相電壓峰值和共模電
壓峰值之和不超過8.7KV。
PWM 變頻器的共模電壓中含有與開關頻率相對應的高頻分量，高頻的電壓分量會
通過輸出電纜和電機的分布電容產生對地高頻漏電流，影響逆變器功率電路的安全。
電機通過地產生的高頻漏電流一部分是通過電定子繞組經定子繞組和機殼間的分布電
容，再經機殼流入地，另一部分是通過繞組和轉子間的分布電容，經過軸承再到機
殼，然后到地。后者的作用相當于軸電流，會引起電機軸承的“電蝕”，影響軸承的
壽命。
4.2.4 電機設計和輸出電纜選擇方面的特殊問題
由于變頻器輸出諧波會引起電機附加溫升，電機容量必須適當放大，熱參數降低
使用。設計時，在可能的條件下，盡量減少定，轉子電阻，以降低損耗。尤其是轉子
電阻的減少，很有必要，因為轉子銅耗在高次諧波所產生的損耗中占相當的比例，而
且采用變頻運行后，已經不需要通過較大的轉子電阻去獲得足夠的起動轉矩。對于目
前應用廣泛的電壓源型變頻器，為了抑制電流中的高次諧波，適當增加電機的電感是
必要的。設計時還應當考慮到高次諧波和低頻時電壓補償作用產生的磁路飽和加深，
加大磁路設計裕量。普通電機采用自帶風扇的冷卻方式，在轉速降低時，冷卻風量跟
著降低，散熱效果下降。對于風機，水泵等運行頻率不低，且轉矩隨轉速基本呈平方
關系下降的負載，由于在轉速下降時負載電流跟著大大下降，發熱下降，基本沒有什
么問題。但對于運行頻率較低，且低速時力矩較大的應用場合，應考慮電機強迫通
風，比如采用獨立電源供電的冷卻風機，或者水冷，甚至電機降額使用。諧波使電機
振動，噪聲增加，電機應采取低噪聲設計并避免可能產生的振動，臨界轉速必須避開
整個工作轉速范圍。轉矩脈動產生的應力集中可能對電機部件引起損壞，電機關鍵部
位必須加強。采取絕緣軸承，在必要時軸上安裝接地碳刷以避免軸電流對軸承的損
壞。
由于普通變頻器輸出波形中含有高次諧波成分，因集膚效應而使線路等效電阻增
加，同時，在逆變器輸出低頻時，輸出電壓跟著降低，線路壓降占輸出電壓的相對比
例增加，因此輸出電纜的截面積應當比普通接線時放大一級。
電流源型變頻器由于存在輸出諧波和共模電壓對電機的影響等問題，電機需降額
使用和加強絕緣，且存在轉矩脈動問題，使其應用受到限制。三電平電壓源型變頻器
存在輸出諧波和dv/dt 等問題，一般要設置輸出濾波器，否則必須使用專用電機。對
風機和水泵等一般不要求四象限運行的設備，單元串聯多電平PWM 電壓源型變頻器在
輸出諧波，dv/dt 等方面有明顯的優勢，對電機沒有特殊的要求，可用于任何普通的
異步電機，且不必降額使用，具有較大的應用前景。
參考文獻
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