变频器基本知识入门.doc

1、变频器基本知识入门 1、什么是变频器？变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。 2、PWM 和 PAM 的不同点是什么？PWM 是英文 Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制)缩写，按一定规律改变脉冲列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调值方式。PAM 是英文 Pulse Amplitude Modulation(脉冲幅度调制)缩写，是按一定规律改变脉冲列的脉冲幅度，以调节输出量值和波形的一种调制方式。 3、电压型与电流型有什么不同？变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容;电流型是

2、将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波石电感。4、为什么变频器的电压与电流成比例的改变？异步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的，在额定频率下，如果电压一定而只降低频率，那么磁通就过大，磁回路饱和，严重时将烧毁电机。因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。这种控制方式多用于风机、泵类节能型变频器。 5、电动机使用工频电源驱动时，电压下降则电流增加;对于变频器驱动，如果频率下降时电压也下降，那么电流是否增加？频率下降(低速)时,如果输出相同的功率,则电流增加,但在转矩一定的条件下,电

3、流几乎不变。 6、采用变频器运转时，电机的起动电流、起动转矩怎样？采用变频器运转，随着电机的加速相应提高频率和电压，起动电流被限制在 150%额定电流以下(根据机种不同，为 125%200%)。用工频电源直接起动时，起动电流为 67 倍，因此，将产生机械电气上的冲击。采用变频器传动可以平滑地起动(起动时间变长)。起动电流为额定电流的1.21.5 倍，起动转矩为 70%120%额定转矩；对于带有转矩自动增强功能的变频器，起动转矩为100%以上，可以带全负载起动。 7、V/f 模式是什么意思？频率下降时电压 V 也成比例下降，这个问题已在回答 4 说明。V 与 f 的比例关系是考虑了电机特性而预先

4、决定的，通常在控制器的存储装置(ROM)中存有几种特性，可以用开关或标度盘进行选择。8、按比例地改 V 和 f 时，电机的转矩如何变化？频率下降时完全成比例地降低电压，那么由于交流阻抗变小而直流电阻不变，将造成在低速下产生地转矩有减小的倾向。因此，在低频时给定 V/f,要使输出电压提高一些,以便获得一定地起动转矩,这种补偿称增强起动。可以采用各种方法实现,有自动进行的方法、选择 V/f 模式或调整电位器等方法。9、在说明书上写着变速范围 606Hz，即 10:1，那么在 6Hz 以下就没有输出功率吗？在 6Hz 以下仍可输出功率，但根据电机温升和起动转矩的大小等条件，最低使用频率取 6Hz 左

5、右，此时电动机可输出额定转矩而不会引起严重的发热问题。变频器实际输出频率(起动频率)根据机种为 0.53Hz. 10、对于一般电机的组合是在 60Hz 以上也要求转矩一定，是否可以？通常情况下时不可以的。在 60Hz 以上(也有 50Hz 以上的模式)电压不变，大体为恒功率特性，在高速下要求相同转矩时，必须注意电机与变频器容量的选择11、所谓开环是什么意思？给所使用的电机装置设速度检出器(PG)，将实际转速反馈给控制装置进行控制的，称为“闭环”，不用 PG 运转的就叫作“开环”。通用变频器多为开环方式，也有的机种利用选件可进行 PG 反馈。12、实际转速对于给定速度有偏差时如何办？开环时，变频

6、器即使输出给定频率，电机在带负载运行时，电机的转速在额定转差率的范围内(1%5%)变动。对于要求调速精度比较高，即使负载变动也要求在近于给定速度下运转的场合，可采用具有 PG 反馈功能的变频器(选用件)。 13、如果用带有 PG 的电机，进行反馈后速度精度能提高吗？ 具有反馈功能的变频器，精度有提高。但速度精度的植取决于本身的精度和变频器输出频率的分辨率。 14、失速防止功能是什么意思？如果给定的加速时间过短，变频器的输出频率变化远远超过转速(电角频率)的变化，变频器将因流过过电流而跳闸，运转停止，这就叫作失速。为了防止失速使电机继续运转，就要检出电流的大小进行频率控制。当加速电流过大时适当放

7、慢加速速率。减速时也是如此。两者结合起来就是失速功能。变频器在工程应用中需要注意的几个问题 1 引言随着通用变频器市场的日益繁荣，不包括 OEM 进口变频器，中国通用变频器年用量超过 25 亿元人民币，变频器及其附属设备的安装、调试、日常维护及维修工作量剧增，给用户造成重大直接和间接损失。本文就针对造成以上问题的原因，根据大量用户的实际应用情况，从应用环境、电磁干扰与抗干扰、电网质量、电机绝缘等方面进行了分析，提出了一些改进的建议。2 工作环境问题在变频器实际应用中，由于国内客户除少数有专用机房外，大多为了降低成本，将变频器直接安装于工业现场。工作现场一般是灰尘大、温度高，在南方还有湿度大的问

8、题。对于线缆行业还有金属粉尘，在陶瓷、印染等行业还有腐蚀性气体和粉尘，在煤矿等场合，还有防爆的要求等等。因此必须根据现场情况做出相应的对策。2.1 变频器的安装设计基本要求(1) 变频器应该安装在控制柜内部。(2) 变频器最好安装在控制柜内的中部;变频器要垂直安装，正上方和正下方要避免安装可能阻挡排风、进风的大元件。(3) 变频器上、下部边缘距离控制柜顶部、底部、或者隔板、或者必须安装的大元件等的最小间距，应该大于 300mm。柜内安装变频器的基本要求(4) 如果特殊用户在使用中需要取掉键盘，则变频器面板的键盘孔，一定要用胶带严格密封或者采用假面板替换，防止粉尘大量进入变频器内部。(5) 对变

9、频器要进行定期维护，及时清理内部的粉尘等。(6) 其它的基本安装、使用要求必须遵守用户手册上的有关说明;如有疑问请及时联系相应厂家技术支持人员。2.2 防尘控制柜的设计要求在多粉尘场所，特别是多金属粉尘、絮状物的场所使用变频器时，采取正确、合理的防护措施是十分必要的，防尘措施得当对保证变频器正常工作非常重要。总体要求控制柜整体应该密封，应该通过专门设计的进风口、出风口进行通风;控制柜顶部应该有防护网和防护顶盖出风口;控制柜底部应该有底板和进风口、进线孔，并且安装防尘网。(1) 控制柜的风道要设计合理，排风通畅，避免在柜内形成涡流，在固定的位置形成灰尘堆积。(2) 控制柜顶部出风口上面要安装防护

10、顶盖，防止杂物直接落入；防护顶盖高度要合理，不影响排风。防护顶盖的侧面出风口要安装防护网，防止絮状杂物直接落入。(3) 如果采用控制柜顶部侧面排风方式，出风口必须安装防护网。(4) 一定要确保控制柜顶部的轴流风机旋转方向正确，向外抽风。如果风机安装在控制柜顶部的外部，必须确保防护顶盖与风机之间有足够的高度；如果风机安装在控制柜顶部的内部，安装所需螺钉必须采用止逆弹件，防止风机脱落造成柜内元件和设备的损坏。建议在风机和柜体之间加装塑料或者橡胶减振垫圈，可以大大减小风机震动造成的噪音。(5) 控制柜的前、后门和其他接缝处，要采用密封垫片或者密封胶进行一定的密封处理，防止粉尘进入。(6) 控制柜底部

11、、侧板的所有进风口、进线孔，一定要安装防尘网。阻隔絮状杂物进入。防尘网应该设计为可拆卸式，以方便清理、维护。防尘网的网格要小，能够有效阻挡细小絮状物(与一般家用防蚊蝇纱窗的网格相仿);或者根据具体情况确定合适的网格尺寸。防尘网四周与控制柜的结合处要处理严密。(7) 对控制柜一定要进行定期维护，及时清理内部、外部的粉尘、絮毛等杂物。维护周期可根据具体情况而定，但应该小于 23 个月;对于粉尘严重的场所，建议维护周期在 1 个月左右。防尘控制柜的安装要求2.3 防潮湿霉变的控制柜的设计要求多数变频器厂家内部的印制板、金属结构件均未进行防潮湿霉变的特殊处理，如果变频器长期处于这种状态，金属结构件容易

12、产生锈蚀，对于导电铜排在高温运行情况下，更加剧了锈蚀的过程。对于微机控制板和驱动电源板上的细小铜质导线，由于锈蚀将造成损坏，因此，对于应用于潮湿和和含有腐蚀性气体的场合，必须对于使用变频器的内部设计有基本要求，例如印刷电路板必须采用三防漆喷涂处理，对于结构件必须采用镀镍铬等处理工艺。除此之外，还需要采取其它积极、有效、合理的防潮湿、防腐蚀气体的措施。(1) 控制柜可以安装在单独的、密闭的采用空调的机房，此方法适用控制设备较多，建立机房的成本低于柜体单独密闭处理的场合，此时控制柜可以采用如上防尘或者一般环境设计即可。(2) 采用独立进风口。单独的进风口可以设在控制柜的底部，通过独立密闭地沟与外部

13、干净环境连接，此方法需要在进风口处安装一个防尘网，如果地沟超过 5m 以上时，可以考虑加装鼓风机。(3) 密闭控制柜内可以加装吸湿的干燥剂或者吸附毒性气体的活性材料，并近期更换。3 干扰问题3.1 变频器对微机控制板的干扰在注塑机、电梯等的控制系统中，多采用微机或者 PLC 进行控制，在系统设计或者改造过程中，一定要注意变频器对微机控制板的干扰问题。由于用户自己设计的微机控制板一般工艺水平差，不符合 EMC 国际标准，在采用变频器后，产生的传导和辐射干扰，往往导致控制系统工作异常，因此需要采取必要措施。(1) 良好的接地。电机等强电控制系统的接地线必须通过接地汇流排可靠接地，微机控制板的屏蔽地

14、，最好单独接地。对于某些干扰严重的场合，建议将传感器、I/O 接口屏蔽层与控制板的控制地相连3。(2) 给微机控制板输入电源加装 EMI 滤波器、共模电感、高频磁环等，成本低。可以有效抑制传导干扰。另外在辐射干扰严重的场合，如周围存在 GSM、或者小灵通机站时，可以对微机控制板添加金属网状屏蔽罩进行屏蔽处理。微机控制板的电源抗干扰措施(3) 给变频器输入加装 EMI 滤波器，可以有效抑制变频器对电网的传导干扰，加装输入交流和直流电抗器L1、 L2，可以提高功率因数，减小谐波污染，综合效果好。在某些电机与变频器之间距离超过 100m 的场合，需要在变频器侧添加交流输出电抗器 L3，解决因为输出导

15、线对地分布参数造成的漏电流保护和减少对外部的辐射干扰。一个行之有效的方法就是采用钢管穿线或者屏蔽电缆的方法，并将钢管外壳或者电缆屏蔽层与大地可靠连接。请注意，在不添加交流输出电抗器 L3 时，如果采用钢管穿线或者屏蔽电缆的方法，增大了输出对地的分布电容，容易出现过流。当然在实际中一般只采取其中的一种或者几种方法。减小变频器对外部控制设备的干扰措施(4) 对模拟传感器检测输入和模拟控制信号进行电气屏蔽和隔离。在变频器组成的控制系统设计过程中，建议尽量不要采用模拟控制，特别是控制距离大于 1M，跨控制柜安装的情况下。因为变频器一般都有多段速设定、开关频率量输入输出，可以满足要求。如果非要用模拟量控

16、制时，建议一定采用屏蔽电缆，并在传感器侧或者变频器侧实现远端一点接地。如果干扰仍旧严重，需要实现 DC/DC 隔离措施。可以采用标准的 DC/DC 模块，或者采用 V/F 转换，光藕隔离再采用频率设定输入的方法。3.2 变频器本身抗干扰问题当变频器的供电系统附近，存在高频冲击负载如电焊机、电镀电源、电解电源或者采用滑环供电的场合，变频器本身容易因为干扰而出现保护。建议用户采用如下措施：(1) 在变频器输入侧添加电感和电容，构成 LC 滤波网络。(2) 变频器的电源线直接从变压器侧供电。(3) 在条件许可的情况下，可以采用单独的变压器。(4) 在采用外部开关量控制端子控制时，连接线路较长时，建议

17、采用屏蔽电缆。当控制线路与主回路电源均在地沟中埋设时，除控制线必须采用屏蔽电缆外，主电路线路必须采用钢管屏蔽穿线，减小彼此干扰，防止变频器的误动作。(5) 在采用外部模拟量控制端子控制时，如果连接线路在 1M 以内，采用屏蔽电缆连接，并实施变频器侧一点接地即可;如果线路较长，现场干扰严重的场合，建议在变频器侧加装 DC/DC 隔离模块或者采用经过V/F 转换，采用频率指令给定模式进行控制。(6) 在采用外部通信控制端子控制时，建议采用屏蔽双绞线，并将变频器侧的屏蔽层接地(PE)，如果干扰非常严重，建议将屏蔽层接控制电源地(GND)。对于 RS232 通信方式，注意控制线路尽量不要超过 15m，

18、如果要加长，必须随之降低通信波特率，在 100m 左右时，能够正常通信的波特率小于 600bps。对于RS485 通信，还必须考虑终端匹配电阻等。对于采用现场总线的高速控制系统，通信电缆必须采用专用电缆，并采用多点接地的方式，才能够提高可靠性。4 电网质量问题在高频冲击负载如电焊机、电镀电源、电解电源等场合，电压经常出现闪变;在一个车间中，有几百台变频器等容性整流负载在工作时，电网的谐波非常大，对于电网质量有很严重的污染，对设备本身也有相当的破坏作用，轻则不能够连续正常运行，重则造成设备输入回路的损坏。可以采取以下的措施：集中整流的直流共母线供电方式(1) 在高频冲击负载如电焊机、电镀电源、电

19、解电源等场合建议用户增加无功静补装置，提高电网功率因数和质量。(2) 在变频器比较集中的车间，建议采用集中整流，直流共母线供电方式。建议用户采用 12 脉冲整流模式。优点是，谐波小、节能，特别适用于频繁起制动、电动运行与发电运行同时进行的场合。 (3) 变频器输入侧加装无源 LC 滤波器，减小输入谐波，提高功率因数，成本较低，可靠性高，效果好。(4) 变频器输入侧加装有源 PFC 装置，效果最好，但成本较高。5 电机的漏电、轴电压与轴承电流问题变频器驱动感应电机的电机模型，Csf 为定子与机壳之间的等效电容，Csr 为定子与转子之间的等效电容，Crf 为转子与机壳之间的等效电容，Rb 为轴承对

20、轴的电阻;Cb 和 Zb 为轴承油膜的电容和非线性阻抗。高频 PWM 脉冲输入下，电机内分布电容的电压耦合作用构成系统共模回路，从而引起对地漏电流、轴电压与轴承电流问题。高压变频技术及发展状况上海发电设备成套设计研究所上海科达机电控制控制有限公司高压变频技术及发展状况Of 2 22目 录一、概述.4二、交流电机常用调速方式52.1、常用调速方式分类52.2、常用调速方式的特性62.2.1、变极调速.62.2.2、串级调速.62.2.3、变频调速.72.2.4、电磁离合器调速.72.2.4、液力偶合器调速.72.3、常用调速方式性能比较8三、高压变频调速的社会经济效益83.1、社会效益.83.2

21、、经济效益.93.2.1、用户投资回报.93.2.1、生产单位效益.9四、高压变频产品情况94.1、高压变频调速的发展94.2、国外高压变频产品情况104.3、国内高压变频产品情况10五、高压变频关键技术105.1、电力电子器件105.1.1、当前电力电子器件水平.105.1.2、电力电子器件耐压问题.115.2、电力电子应用技术125.3、冗余运行和可靠性问题125.4、高电压及隔离技术125.5、保护技术.135.6、电磁兼容技术13高压变频技术及发展状况Of 3 225.7、谐波抑制技术135.8、高压变频装置结构145.9、高压变频装置试验145.10、其它关键技术14六、不同型式的高

22、压变频器146.1、交交变频调速156.2、串级调速.156.3、高低高型.156.4、直接器件串联二电平166.5、电流型.166.6、电位浮动钳位型166.7、三电平型.176.8、单元串联多电平型196.9、各种高压变频装置类型的比较21七、高压变频发展方向22高压变频技术及发展状况Of 4 22一、概述我国高压电动机总容量在1.5 亿千瓦以上（不包括低压电动机），大部分为风机泵类负载，这些电动机大都由6KV 驱动，它 们 大多工作在高能耗、低效率状态。覆盖电力、石油、化工、冶金、制造、 环保、市政等行业，其耗电量占全国总用电量的25左右。以发电厂为例，随着我国电网的扩大、机 组装机容量

23、的增加以及负荷峰谷差的拉大，发电机的负荷率降低，大型发电机组也要参加调峰运行，而 为满负荷设计的大型辅机工况调节方法不适合于调峰运行方式，导致辅机和驱动的异步电动机都工作在低效率区域，造成大量的能源浪费，而且随着启停次数的增多对辅机、电动机及电网的冲击也更频繁。在我国火力发电厂中，各类泵和风机的用电量占火力发电厂自用电量的85%左右，例如引风机、送风机、一次 风机、循 环水泵、凝结水泵、给水泵、灰渣（浆）泵、排粉机等等，尤其是风机的裕量明显过大，如果采用挡板调节，即使在机组满负荷输出的挡板开度也较小。而水泵和风机的一个特点是负载转矩与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。如可根据所需的流

24、量调节转速，就可获得很好的节电效果，一般可节电20%50%。此外，大型电动机启动冲击问题也相对突出，从近年来华北地区发电厂厂用电动机的故障统计结果看，约有15是由启动时的大电流及对绕组上的过大电磁力直接引起的，定子绕组接头开焊、 转子鼠笼断条等缺陷也与启动冲击有关，因而短的检修周期带来的检修费用也相当可观。美国电力研究院早在1981 就开始研究电力电子调速传动在电厂大型异步电动机上的应用，并在19841989 年进行了连续5 年的风机和泵类负载大型异步电动机变频调速现场试验，对大型变频调速装置的经济性和运行可靠性得出肯定的结论。目前我国大型异步电动机应用变频调速还刚刚起步，但国外已经广泛使用，

25、而且随着电力电子器件的发展，高压变频装置的型式多种多样。通过他们长期的运行实践表明：应用高压大功率变频调速系统的经济效益良好、其可靠性也可以得到保证。随着电力电子技术、计算机技术、自 动控制技术的迅速发展， 带动了交流传动技术日新月异的进步。目前，电气传动技术正面临着一场历史性的革命，即交流调速取代其它调速及计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动高压变频技术及发展状况Of 5 22技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速、起动和制动性能、高效率、高功率因素和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公

26、认为是最有发展前途的调速方式。二、交流电机常用调速方式2.1、常用调速方式分类根据交流电动机的转速特性表达式可知，它的调速方式可分为三大类：频率调节、磁极对数调节和转差率调节，比 较成熟和广泛应用的有8 种通用调速技术，见下图：交流电动机主要调速方式分类图基于节能角度，通常把交流调速分为高效调速和低效调速。高效调速指基本上不增加转差损耗的调速方式，在调节电动机转速时转差率基本不变，不增加转差损失，或将转差功率以电能形式回馈电网或以机械能形式回馈机轴；低效调速则存在附加转差损失，在相同调速工况下其节能效果低于不存在转差损耗的调速方式。属于高效调速方式的主要有变极调速、串级调速和变频调速；属于低效

27、调速方式的主要有滑差调速（包括电磁离合器调速、液力偶合器调速、液粘离合器调速）、转子串电阻调速和定子调压调速。其中，液力偶合器 调速和液粘离合器调速属于机械调速，其他均属于电气调速。 变极调速和滑差调速方式适用于笼型异高压变频技术及发展状况Of 6 22步电动机，串级调速和转子串电阻调速方式适用于绕线型异步电动机，定子调压调速和变频调速既适用于笼型，也适用于绕线型异步电动机。变频调速和机械调速除适用于异步电机外，还可用于同步电动机。2.2、常用调速方式的特性2.2.1、变极调速变极调速是通过改变定子绕组的极对数来改变旋转磁场同步转速进行调速的，是无附加转差损耗的高效调速方式。由于极 对数p 是

28、整数，它不能 实现平滑调速，只能有级调速。在供电频率f50Hz 的电网，p1、2、3、 4 时，相应的同步转速n03000、1500、1000、750r/min。改变极对数是用改变定子绕组的接线方式来完成的。双速电动机的定子是单绕组，三速和四速电动机的定子是双绕组。这种改变极对数来调速的笼型电动机，通常称 为多速感应电动机或变极感应电动机。多速电动机的优点是运行可靠，运行效率高，控制线路很简单，容易 维护，对电网无干扰，初始投资低。缺点是有级调速，而且调速级差大，从而限制了它的使用范围。适合于按23 档固定调速变化的场合，为了弥补有级调速的缺陷，有时与定子调压调速或电磁离合器调速配合使用。2.

29、2.2、串级调速串级调速是在绕线型感应电动机的转子电路中串入一个与转子电动势相反的附加电动势，用以减少转子电流，降低 转子的转矩，从而达到调速的目的。这时，转子电路内不再串入外接附加电阻产生转差损耗，而是将转子的转差功率回馈电网或机轴，是一种高效调速方式。串级调速的典型调速系统有两种：一种是电气串级调速系统，另一种是电机串级调速系统。电气串级调速电路是由异步机转子一侧的整流器和电网一侧的晶闸管逆变器组成。用改变逆变器的逆变角来调节异步机转速，将整流后的直流通过逆变器变换成具有电网频率的交流，将转差功率回馈电网。电机串级调速电路是把转子整流后的直流作为电源接到一台直流电动机的电枢两端，用调节励磁

30、电流来调节异步机转速，直流机与异步机同轴相接，将转差功率变为直流机的输入功率与异步机一起拖动负载，使转差功率回馈机轴。电机串级调速的调速范围不大，又增加了一台直流电动机，使系 统复杂化，应用不多。电气串级调速系统比较简单，控制方便，应用比较广泛。串 级调速的主要 优点是调速效率高，可实现无级调速，初始投资不大。缺点是对电网干扰大、调 速范围窄、功率因数也比较低、必须是绕线式转子等。与转子串电阻相比，主要是它的效率优势，串调系统的总效率一般在80%左右。高压变频技术及发展状况Of 7 22另一种串级调速是内反馈串级调速，电机在原电机定子上增设一套三相对称绕组，称为调节绕组，附加电势由调节绕组从主

31、绕组感应的电势所提供，通 过变流系统将该电势串入电机的转子绕组，改变其串入电势的大小即可实现调速，并通过与转子旋转磁场相互作用产生正向的拖动转矩，这就使电机从电网吸收的有功功率减少，主绕组的有功电流随转速正例比变化，达到调速节能的目的。内反馈串级调速系统含有内补偿装置，用以补偿调节绕组的滞后电流，减少损耗并提高功率因数，补偿装置还具有谐波滤出功能，以抑制对电网的谐波污染。内反 馈串级调速具有串级调速的所有优点，其缺点是必须更换专用电动机、调速范围窄、功率因数也比较低，由于该电动机结构较复杂，因此其投资也不低。2.2.3、变频调速变频调速是通过改变电动机定子供电频率来改变旋转磁场同步转速进行调速

32、的，是无附加转差损耗的高效调速方式。 变频调速系统的关键装置是频率变换器，即变频器，由它来提供变频电源。变频器可分为 交直交（交流直流交流）变频器和交交（交流交流）变频器两大类。变频调速的突出优点是调速效率高，启动能耗低， 调速范围宽，可 实现无级调速，动态响应速度快，调速精度很高，操作 简便，且易于实现生产工艺控制自动化。此外，在装置发生故障后能可采取措施投入人工频运行，不会影响生 产作业是它最显著的优点。由于它的调速性能优于其他调速技术，安装场地条件又比较灵活，应用范围广泛，是市场需求增长最快的调速方式。2.2.4、电磁离合器调速电磁转差离合器由主动部分电枢和从动部分感应子组成，其调速功能

33、是通过调节感应子励磁电流的大小，改变气隙磁感应强度，从而改变感应子从动轴的电磁转矩来实现调速。因此，在某一恒定转矩下，励磁电流发生变化时，转 速发生变化，调速范围很小，且非线性严重，励磁电流损失都转化为热耗，属于低效调速方式，一般用于低压电机、功率不大的场合。2.2.4、液力偶合器调速高压电机领域中传统的调速方式是采用液力偶合器，但这种调速方式能耗大、效率低，其原因是存在严重的耦合损失和转差损失。耦合 损失是由于液压油内摩擦造成的；转差损失是由于调速时输出轴和输入轴存在转差造成的，这种损失随转差的增加而上升，即效率 =1-s，其中 s 为转 差率。 这2 部分损失最终都变成热损失，此外，这种调

34、速方式还有如下缺点：1）受执行机构和液压机构限高压变频技术及发展状况Of 8 22制，调速精度差，同时还存在严重非线性，只在 15%85%间是调节线性区，即使在这区间，仍存在增速与减速间逆差间隙，造成自动系统很难投入运行；2）运行不可靠，国内已有多起由于液力偶合器叶片破损造成事故的先例，其主要原因是液力偶合器制造精度难以提高；3）采用该调速方法需要一整套油系统，维护工作量很大。2.3、常用调速方式性能比较调速方式性能液力偶合器 串级调速（包括内反馈）变极调速 变频调速功率因数 低 低 一般 高对电网干扰 无 较大 无 稍有调速范围 一般 窄 100，50，0 1000对电机要求 无 绕线电机

35、极数可变 无维护保养 较难 较难 最易 易可靠性 一般 一般 可靠 可靠性能 一般 良好 一般 最好初投资 省 较贵 最省 较贵三、高压变频调速的社会经济效益3.1、社会效益国产化高压变频装置的社会效益显著，主要有： 节能，从而 节约资源、减少环境污染 消除电动机的启动冲击以及对电网的冲击，降低电动机和设备故障率， 提高控制精度和自动化程度高压变频技术及发展状况Of 9 223.2、经济效益3.2.1、用户投资回报对于泵和风机，流体流量与转速一次方成正比， 转矩与转速的二次方成正比，而功率与转速的三次方成正比，转速降低， 电机功耗将以三次方下降，因此 变频调速的节电效果非常显著。如果流量由10

36、0%降到70%，则转速降到70%，压头降到49% ，而电机的功耗降到34.3%，理论上节能65.7%。如果原本采用风门、阀门调节，流量降低、压头增加，电机功率减少5%，这样，变频调速比风门、阀门类调节节能60%左右。以1250KW、6KV 风机采用变频调速为例，采用国产化高压变频调速装置，如在石化、钢铁行业按售电电价计算，一年即可收回投资；如在发电厂按发电成本计算，2-3 年可收回投资。而且如果在建厂初期就考虑采用高压变频调速， 则厂用电总容量大幅度降低，发电量增加， 总投资实际上比不采用变频调速还低。除了节能增效外，对于不同的负载， 还有一些间接的经济效益，主要有：功率因数得以提高；实现软起

37、动；减少起动力矩对电机的电气机械损伤；控制平滑、稳定、精度高。3.2.1、生产单位效益我国的各类电动机的装机容量在4 亿KW 以上，而高压电动机的总装机容量在1.5 亿千瓦以上，其中一半以上是拖动风机、 泵类的电动机，装机容量在 0.8亿千瓦。它们的用电量约占全国用电量的30%，而 这类电动 机往往能耗大、效率低，多数运行在电低负荷区加上部分风机、 泵需要调节流量，如采用通常的 风门、挡板、阀门调节，将使效率降得更低，是 变频改造效益最 显著的用户。目前我国高压变频应用刚刚起步，各行各业密切关注高压变频技术的发展，不少用户已经接受该类型产品的使用，估计在今后几年，高压变频领域将有较快的发展。四

38、、高压变频产品情况4.1、高压变频调速的发展交流调速的最理想方法还是变频调速。交流静止调速的起步大约在70 年代，80 年代低压变频技术逐步得到推广应用，而高压变频由于其大功率、高电压等特殊要求，世界上也是在90 年代中期，才开始得到发展，而得到 规模推广也是世纪交界之时。高压变频技术及发展状况Of 10 224.2、国外高压变频产品情况许多大型集团公司对高压变频的开发研究极其重视，尤其对风机泵类负载电动机的高压变频装置的开发更是如此。经过多年的发展，国外高压变频调速装置向电压源型高-高变频方式趋势发展，目前，最常见 的高压变频类型有：单元串联多电平型、三电平型、电流型。国外最具代表性的产品有

39、：SIEMENS 公司：IGBT 三电平方式。ROBICON 公司：IGBT 单元串联多电平方式。ROCKWALC（AB）公司：SGCT 电流型和GTO 电流型。ABB 公司：IGCT 三电平方式。除此之外，通用电气、阿尔斯通、三菱、东芝、富士和日立等公司近期也有类似产品推出。4.3、国内高压变频产品情况我国政府部门和行业内生产研究单位对变频调速技术也相当重视的，国务院和国家经委曾先后发文推广变频调速新技术。一些生产研究单位看到了高压变频潜在的市场和发展前景，数年前就开始进行了深入的研究和开发，目前几家单位已成功推出了自主产权的高压变频产品：上海发电设备成套设计研究所和上海科达机电控制有限公司

40、的高压变频产品为IGBT 单元串联多电平方式，具有多项创新技术；北京利德华福技术有限公司、成都凯奇和北京凯奇公司为IGBT 单元串联多电平方式，清华大学也正在研究开发三电平方式的高压变频产品。五、高压变频关键技术5.1、电力电子器件5.1.1、当前电力电子器件水平可用于高压变频的电力电子器件有IGBT、IGCT、GTO 、SGCT、SCR、GTR等，先比较如下：IGBT：目前最高水平为6500V、600A 和1700V、 3600A，应用上以1700V以下最为成熟，其优点是电压控制、 驱动简单，开关频率高、开关损耗小，可实现短路保护。缺点有导通损耗稍高(1700V 器件为2-3V)、封装热阻大

41、、损坏后可能产生开路。IGCT：新型器件，目前最高水平为6500V、 4000A，实验室水平电压等级达高压变频技术及发展状况Of 11 2210000V，其 优 点是电压/电荷控制、开关 频率较高、开关损耗小，导通损耗低，缺点有驱动较复杂，目前应用尚不太成熟，价格高。GTO：目前最高应用水平为6500V，电流等级可高达6000A，优点是导通损耗小，缺点是电流驱动、驱动电流复杂，开关频率低，开关损耗高。GTO 在超高功率(10MVA 以上)、四象限 变频器中应用广泛，在其它情况下不具有优势。SGCT：GTO 的改进型。SCR：目前最高应用水平为8000V、8000A，交直交型高压变频器中不适用。

42、GTR：达林顿管，电流驱动，在高 压变频应用中与IGBT 相比不具有优势。这些电力电子器件现列表比较如下：器件类型 最高水平 驱动情况 开关频率开关损耗导通损耗热阻 其它情况IGBT 6500V,600A1700V,3600A电压驱动,线路简单高 低 稍高2-3V大技术成熟,性价比高IGCT 6500V,4000A 电压电荷驱动,线路较复杂高 低 低小技术、市场不成熟GTO 6500V,6000A 电流驱动，线路复杂低 高 低小适合超高功率GTR 在高压变频应用中与IGBT 相比不具有优势SGCT GTO 改进型SCR 交直交型高压变频中不适用5.1.2、电力电子器件耐压问题目前，适合高压变频

43、装置的电力电子器件有：GTO（ 门极可关断晶闸管）、IGBT、IGCT。GTO 耐 压的最高应用水平为6500V，IGBT 为6500V ，IGCT 为6500V ，SCR（晶闸管）也只有8000V。以线电压6300V 为例，如直接 进行三相桥式整流，则直流电压为8910V ，整流二极管和开关管均须承受8910V 的工作电压，如果按2 倍余量计算，则整流二极管和开关管的耐压须达17820V。然而，目前水平的电力电子器件尚无法高压变频技术及发展状况Of 12 22承受这样高等级的电压。因此，首先要考虑的问题是：采取措施解决电力电子器件的耐压不够问题。5.2、电力电子应用技术电力电子目前已成为一门

44、专业学科，除了研究其结构和制造工艺外，应用技术也很关键，主要包括：驱动技术过电压过电流吸收技术散热技术保护技术5.3、冗余运行和可靠性问题高压变频产品的可靠性是用户能否最终接受该产品最重要的因素。高压变频装置结构和电路复杂，电力电子器件工作在高压大电流硬开关状态，控制部分工作在强电磁场干扰的环境，要保 证长期运行可靠性， 应尽量解决以下问题：1)、实现冗余，自 动切换，允许器件损坏，不停机运行。2)、带电维护、维修。3)、各项保护功能要保证在各种异常工况下设备不损坏，但是，在正常工况下，保护不能误动作。4)、高寿命 设计5)、内部电源系统冗余设计5.4、高电压及隔离技术变频装置需连续调节输出电

45、压的频率和大小，对于6000V 等级变频器，如前所述，往往须采取一些措施解决电力电子器件耐压不够的问题，例如三电平方式、单元串联多电平方式等，需控制的电力电子器件数量多，因此控制方法及控制时序变得相当复杂。随着微处理器技术的发展，CPU 的处理速度大大提高，外设功能大为增强，如采用带多相PWM 脉冲产生电路的微处理器，高压变频装置实现全数字式控制高压变频技术及发展状况Of 13 22变为可能。电力电子器件均工作在相当高的电位之下，最高可达交流6000V，直流8400V，而 这 些电力电子器件均需在主控制器的 统一协调下工作，因此高压隔离问题也比较突出。目前，一般采用光纤通讯或信号传输技术解决高

46、压隔离问题。5.5、保护技术在高压变频产品中，电力电子器件的保护以及装置的综合保护相当重要，既要保证装置在过载、过压、过温甚至短路等工况下不损坏，又要保 证装置在正常运行时保护不误动作。高压变频装置应具有下列保护功能：过载保护（应具有反时限特性）过压保护短路保护过温保护电动机保护5.6、电磁兼容技术电力电子器件在导通和截止时所产生的dv/dt 相当高，如不加以限制可达10000V/S，在这样高的dv/dt 下，每一皮法的分布电容将导致10mA 的耦合干扰电流，因此电场干扰很大。在高压变频装置中，无论是采用单元串联多电平方式，还是三电平和其它方式，其内部di/dt 相当高，可达3000A/S，因

47、此磁 场变化率非常高，在其相邻回路中感应的干扰电压很高。一般采取屏蔽、接地以及合理布线解决电磁干扰问题。5.7、谐波抑制技术6KV 等级高压设备比380V 等级设备对谐波抑制的要求更高，主要是考核 输入电流谐波和输出电压谐波两项指标。输入电流谐波反映了设备对电网的干扰程度，除满足国标规定外，最好还满足IEEE STD-1992 推荐标准以及在电力系统中对谐波控制的要求；输出电压谐波对电动机的运行将产生影响，谐波越大，电动机谐波电流越大、转矩脉动增大、 额外损耗也增大，输出电压谐波越小则电动机运行平稳并且额外的损耗小。高压变频技术及发展状况Of 14 22单元串联多电平型高压变频器输入端采用了多

48、绕组移相整流变压器，输入整流波头数在30 以上，不需要采取其它措施，输入电流谐波即可在规定范围之内；而对于三电平或电流型变频器，一般须在输入端接入电抗器。单元串联多电平高压变频器输出为多电平多重化输出，例如每项5 单元串联时，输出线电压有11 电平，输出电压谐波也较低；对于三电平型变频器，一般应在输出端接入电抗器。变频器输出dv/dt 对电动机绝缘有一定影响，如不采取措施，即使是 单元串联多电平输出，dv/dt 也可达4000V/uS ，三电平和二电平更高，这对电动机绝缘有一定的损害，而且很高次的谐波也引起电动机额外损耗。因此，如何降低 变频器的输出dv/dt 也是值得研究的课题。5.8、高压

49、变频装置结构高压变频装置体积太大也成为推广应用的障碍之一，由于是高压电气设备且结构复杂，输入一般还有变压器，因此 应尽量优化结构、减小装置体 积。5.9、高压变频装置试验高压变频装置的试验设备投资较大，尤其在产品开发阶段，测试和试验相当困难，不能实现在线监测，因此难以查找问题和进行故障诊断。所需的特殊设备有：高压供电线路、开关设备和并网装置高压1:1 容量电动机-发电机组大容量负载5.10、其它关键技术1)、微处理器技术2)、电机拖动及节能运行技术主要有：电机控制技术；风机泵类负载特性及节能技术；六、不同型式的高压变频器高压变频器，按其主电路结构可分为交交方式和交直交方式两大类，高压变频技术及发展状况Of 15 22从电机控制原理上可分为定子控制型和转子控制型，定子控制型包括常规的交交以及交直交方式，转子控制型又称串极调速，有电网反馈型串极调速和定子反馈型串极调速(内反馈)两种。交直交变频方式按中间直流滤波环节的不同可分为：电流源型、三电平PWM 电压源型（也称中点嵌位型）、单元串联多电平PWM 电压源型、 电压浮动箝位式多电平电压源型、高低高电压源型、直接高高型。6.1、交交变频调速交交变频器线路简单可靠，功率等级大，但不能实现连续调