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新型高压变频器在同步电动机上的应用
xiao_xiao1 发表于 2009/10/22 13:31:18 853 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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Keywords : Inverter Synchronous motor Load-Commutated Multi-Level
[中图分类号] TM921 [文献标识码] A 文章编号 1561-0330(2002)04-0030-03
1 前言
同步电动机在大功率的工业场所有近一百年的应用历史了，不但其高效率和高可靠性无与伦比，而且能够改善供电系统的功率因数，给用户带来真正的实际效益。然而，由于同步电动机初期投资价格比异步电动机高，所以其应用受到了一定的限制。现在，在一些高性能的应用场所，凡是功率大于500kW以上的电动机，基本都采用了同步电动机，这就提出了对同步电动机进行调速的问题。
自1957年晶闸管出现后，变频调速器随之产生。一般变频器为保证晶闸管可靠换流，都需要有一套附加的换流电路，因而使变频器线路复杂、体积大、功耗大。但是在变频器对同步电动机供电中，其电枢绕组中存在由激磁磁场感应产生的电势，利用这种反电势换流，可以使变频器换流电路大大简化，从而形成了负载换相式高压变频器。这种变频器具有电路简单、价格便宜等优点，但是其输出波形不好，起动困难。近年来，由于先进IGBT功率器件的出现，使得多电平PWM式高压变频器的应用成为可能。这种高压变频器是由低压变频器串联而成的，因而具有很高的可靠性，并且其输出波形较好，在同步电动机上具有广泛的应用前景。
2 负载换相式高压变频器(LCI)
负载换相式高压变频器(LCI)如图1所示。与通用变频器一样，该变频器也是由三部分组成:整流器部分、滤波部分和逆变器部分。整流器部分的作用是将固定电压和固定频率的交流电转换成直流电，并控制其电流为恒流。逆变器的作用是将直流电转换成电压和频率均可调节的交流电，供给同步电动机，其电流的变化率取决于电机电感。忽略换流影响，对整流器而言，其直流侧电压为:
(1)
其中:--电源线电压峰值
--整流器输出的直流电压
--整流器触发角
仿照上式，对逆变器而言，其直流侧电压为:
(2)
其中:--同步电动机线电压峰值。
--同步电动机功率因数角。
--同步电动机规律因数角。
负号 --是相对于整流器而言的。
从图1可以看出，整流器与逆变器之间只存在滤波电感，若不考虑很小的压降，就有
(3)
将(2-1)、(2-2)代入式(2-3)中，有:
(4)
通常电动机的输入电压在额定速度时等于变频器电源侧的电压，所以其电压比值可用单位速度PUS代替，则有:
(5)
由于α是整流器的触发角，它实际上代表了输入电流滞后输入电压的角，所以可以看出负载换相式高压变频器的功率因数PF不会大于电机功率因数和单位速度(PUS)的乘积。很显然，希望最好在1800 时对逆变器进行换流操作，但实际上是不可能的。因为在1800时，用于换流的电机端电压将消失，所以换流时间必须提前至1800前，以使电流有时间换相和给晶闸管加反压至其截止。一般该值取1500，即功率因数PF=0.866。然而，在实际系统中，我们尽可能接近1800，也就是说让换流间隔尽可能地短，这样就使得电动机的功率因数尽可能提高了，然而，电动机的漏感小于17%是必要的。当然，这需要特殊设计。各变量之间应保持的关系如下:
(6)
--换相时加到晶闸管上的瞬时电压。
KLs--同步电动机每相漏感。
以前，负载换相式高压变频器用转子位置检测器来检测同步电动机的反电势和确定开始换流时间，但这种方法难度特别大。现在应用比较普遍的方法是用电机端电压来控制换流，从而淘汰了转子位置检测器，使系统控制起来更加简单。
图2为6脉波负载换相式高压变频器的输入电流波形，图3为6脉波负载换相式高压变频器的输出电流、输出电压和转矩波形。从图可以看出，为了提高LCI变频器的波形质量，必须增加额外的滤波器。由于LCI变频器的输出波形中存在高次谐波，所以对电机影响较大:
(1)谐波使电机电流的均方根值增加了5%，但却不产生转矩，而是增加了电机定子铜损。
(2)以时间函数表示的谐波电流，在定子中变换成了空间函数，从而引起了转矩脉动。转矩的第 n次谐波是由电流的第n+1次谐波及第n-1次谐波产生的，转矩脉动部分的幅值是与谐波电流的幅值成正比。例如，高次谐波的最低次数是5次和7次，则最低次转矩脉动的频率是电机定子频率的6倍。该转矩脉动是引起机器变形损坏的主要原因。
对于LCI变