逆变器hpwm

《Fundamentals of Power Electronics》翻译(6)

深入解析：谐振转换器的智能设计与应用

在电力电子领域，谐振转换器以其独特的优势在高频通信、无线充电和照明系统等应用中占据重要地位。它们通过精确的谐振网络，如L-C电路，生成近乎正弦的电压和电流，避免了小纹波近似可能带来的误差。

核心技术之一是DC-DC转换器，如无线充电器中的高频到交流的逆变器，通过系列、并联或LLC、LLC型电路架构，能精确控制电压和电流波形，以适应各种负载需求。例如，LLC半桥电路设计用于气体放电灯，能提供稳定的近似正弦波电压，适应灯泡启动和运行阶段。

Resonant DC-DC转换器则利用谐振逆变器的输出进行整流和滤波，确保直流功率的稳定输出，而频率控制则影响电流和负载响应。这些转换器包括系列、并联等常见的网络设计，广泛应用于高压直流电力系统。

更巧妙的是，PWM转换器中引入谐振元件，创造出共振或准共振模式，减少了开关损耗和电磁干扰，但优化性能在不同负载和输入电压时面临挑战。

谐振转换器凭借ZCS和ZVS技术，显著降低了开关损耗，使得工作频率远超PWM，然而，它们也带来了对宽泛工作条件的优化难题以及在无负载时可能的高电流问题。

共振技术并非一帆风顺，通过能量存储元件的循环，它们需要巧妙设计以降低效率损失，同时要保证峰值电流和传导储能损耗的控制。章节深入探讨了连续导通模式的DC-DC转换器，其效率取决于储能电路的响应特性。

通过传递函数H(s)和有效负载电阻的计算，我们可以理解方波开关和电容滤波网络如何协同工作。谐振转换器的电压转换比M，与储能电路的交流响应密切相关，而这些特性在简化模型中得以清晰呈现。

零电压/零电流开关技术，如图22.24所示，是谐振转换器的亮点，它们能显著降低MOSFET转换器的损耗，同时也减少了电磁干扰。晶体管的开关特性，如图22.25所示，展示了在特定条件下如何实现无损耗关断，如在长关断时间和电压过零点。

在设计谐振转换器时，轻负载效率问题、负载电流对开关电流的影响以及储能电路的特性需要仔细考虑。输出特性不仅由开路电压Voc和短路电流Isc定义，还由负载的I-v特性与椭圆特性交点决定，如图22.32所示。

频率控制和负载条件对系统性能至关重要，从开路输入阻抗到负载短路电流，都与开关频率和储能网络的阻抗密切相关。通过精确的参数选择，如图22.36所示，可以实现理想的零电流和零电压开关条件。

各种谐振拓扑，如LLC，展示了如图22.40所示的实例，其输出特性与控制平面特性，如图22.44所示，为设计者提供了丰富的选择和优化空间。在连续和不连续导通模式下，谐振转换器表现出独特的电流和电压波形，如图22.46和22.48所示。

总结来说，谐振转换器的魅力在于其能精确控制电压转换，通过软开关技术实现高效能与低损耗。尽管存在挑战，如轻负载效率和高频开关损耗，但通过精心设计和优化，这些技术已经广泛应用于各种实际应用中，如图23.1至23.4所示的开关波形分析。

深入理解谐振转换器的工作原理，不仅限于理论分析，还涉及到实际应用中的创新策略，例如使用辅助谐振换向极和有源钳位缓冲器来实现零电压开关，如图23.39所示。这些技术的进步，推动了电力电子领域向更高效率、更低损耗的未来迈进。

变频器是什么哦

变频器一般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。

变频器参数A

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；电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路的滤波是电感。

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6~7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1.2~1.5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的转矩有减小的倾向。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60~6Hz，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0.5~3Hz.

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？

通常情况下是不可以的。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接近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PG反馈功能的变频器，精度有提高。但速度精度的值取决于PG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慢加速速率。减速时也是如此。两者结合起来就是失速防止功能。

15、有加速时间与减速时间可以分别给定的机种，和加减速时间共同给定的机种，这有什么意义？

加减速可以分别给定的机种，对于短时间加速、缓慢减速场合，或者对于小型机床需要严格给定生产节拍时间的场合是适宜的，但对于风机传动等场合，加减速时间都较长，加速时间和减速时间可以共同给定。

16、什么是再生制动？

电动机在运转中如果降低指令频率，则电动机变为异步发电机状态运行，作为制动器而工作，这就叫作再生（电气）制动。

17、是否能得到更大的制动力？

从电机再生出来的能量贮积在变频器的滤波电容器中，由于电容器的容量和耐压的关系，通用变频器的再生制动力约为额定转矩的10%~20%。如采用选用件制动单元，可以达到50%~100%。

18、请说明变频器的保护功能?

保护功能可分为以下两类：

（1） 检知异常状态后自动地进行修正动作，如过电流失速防止，再生过电压失速防止。

（2） 检知异常后封锁电力半导体器件PWM控制信号，使电机自动停车。如过电流切断、再生过电压切断、半导体冷却风扇过热和瞬时停电保护等。

19、为什么用离合器连续负载时，变频器的保护功能就动作？

用离合器连接负载时，在连接的瞬间，电机从空载状态向转差率大的区域急剧变化，流过的大电流导致变频器过电流跳闸，不能运转。

20、在同一工厂内大型电机一起动，运转中变频器就停止，这是为什么？

电机起动时将流量和容量相对应的起动电流，电机定子侧的变压器产生电压降，电机容量大时此压降影响也大，连接在同一变压器上的变频器将做出欠压或瞬停的判断，因而有时保护功能（IPE）动作，造成停止运转。

21、什么是变频分辨率？有什么意义？

对于数字控制的变频器，即使频率指令为模拟信号，输出频率也是有级给定。这个级差的最小单位就称为变频分辨率。

变频分辨率通常取值为0.015~0.5Hz.例如，分辨率为0.5Hz，那么23Hz的上面可变为23.5、24.0 Hz，因此电机的动作也是有级的跟随。这样对于像连续卷取控制的用途就造成问题。在这种情况下，如果分辨率为0.015Hz左右，对于4级电机1个级差为1r/min 以下，也可充分适应。另外，有的机种给定分辨率与输出分辨率不相同。

22、装设变频器时安装方向是否有限制。

变频器内部和背面的结构考虑了冷却效果的，上下的关系对通风也是重要的，因此，对于单元型在盘内、挂在墙上的都取纵向位，尽可能垂直安装。

23、不采用软起动，将电机直接投入到某固定频率的变频器时是否可以？

在很低的频率下是可以的，但如果给定频率高则同工频电源直接起动的条件相近。将流过大的起动电流（6~7倍额定电流），由于变频器切断过电流，电机不能起动。

24、电机超过60Hz运转时应注意什么问题？ 超过60Hz运转时应注意以下事项

(1)机械和装置在该速下运转要充分可能（机械强度、噪声、振动等）。

（2） 电机进入恒功率输出范围，其输出转矩要能够维持工作（风机、泵等轴输出功率于速度的立方成比例增加，所以转速少许升高时也要注意）。

(3) 产生轴承的寿命问题，要充分加以考虑。

（4） 对于中容量以上的电机特别是2极电机，在60Hz以上运转时要与厂家仔细商讨。

25、变频器可以传动齿轮电机吗？

根据减速机的结构和润滑方式不同，需要注意若干问题。在齿轮的结构上通常可考虑70~80Hz为最大极限，采用油润滑时，在低速下连续运转关系到齿轮的损坏等。

26、变频器能用来驱动单相电机吗？可以使用单相电源吗？

单相电机基本上不能用。对于调速器开关起动式的单相电机，在工作点以下的调速范围时将烧毁

辅助绕组；对于电容起动或电容运转方式的，将诱发电容器爆炸。变频器的电源通常为3相，但对于小容量的，也有用单相电源运转的机种。

27、变频器本身消耗的功率有多少？

它与变频器的机种、运行状态、使用频率等有关，但要回答很困难。不过在60Hz以下的变频器效率大约为94%~96%，据此可推算损耗，但内藏再生制动式（FR-K）变频器，如果把制动时的损耗也考虑进去，功率消耗将变大，对于操作盘设计等必须注意。

28、为什么不能在6~60Hz全区域连续运转使用？

一般电机利用装在轴上的外扇或转子端环上的叶片进行冷却，若速度降低则冷却效果下降，因而不能承受与高速运转相同的发热，必须降低在低速下的负载转矩，或采用容量大的变频器与电机组合，或采用专用电机。

29、使用带制动器的电机时应注意什么？

制动器励磁回路电源应取自变频器的输入侧。如果变频器正在输出功率时制动器动作，将造成过电流切断。所以要在变频器停止输出后再使制动器动作。

30、想用变频器传动带有改善功率因数用电容器的电机，电机却不动，请说明原因

变频器的电流流入改善功率因数用的电容器，由于其充电电流造成变频器过电流(OCT),所以不能起动，作为对策，请将电容器拆除后运转，甚至改善功率因数，在变频器的输入侧接入AC电抗器是有效的。

31、变频器的寿命有多久？

变频器虽为静止装置，但也有像滤波电容器、冷却风扇那样的消耗器件，如果对它们进行定期的维护，可望有10年以上的寿命。

32、变频器内藏有冷却风扇，风的方向如何？风扇若是坏了会怎样？

对于小容量也有无冷却风扇的机种。有风扇的机种，风的方向是从下向上，所以装设变频器的地方，上、下部不要放置妨碍吸、排气的机械器材。还有，变频器上方不要放置怕热的零件等。风扇发生故障时，由电扇停止检测或冷却风扇上的过热检测进行保护

33、滤波电容器为消耗品，那么怎样判断它的寿命？

作为滤波电容器使用的电容器，其静电容量随着时间的推移而缓缓减少，定期地测量静电容量，以达到产品额定容量的85%为基准来判断寿命。

34、装设变频器时安装方向是否有限制?

应基本收藏在盘内，问题是采用全封闭结构的盘外形尺寸大，占用空间大，成本比较高。其措施有：

（1）盘的设计要针对实际装置所需要的散热；

（2）利用铝散热片、翼片冷却剂等增加冷却面积；

（3） 采用热导管。

此外，已开发出变频器背面可以外露的型式。

35、想提高原有输送带的速度，以80Hz运转，变频器的容量该怎样选择？

设基准速度为50Hz,50Hz以上为恒功率输出特性。像输送带这样的恒转矩特性负载增速时，容量 需要增大为80/50≈1.6倍。电机容量也像变频器一样增大。

变频器结构和故障判断简介

变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。

1. 整流器 ，它与单相或三相交流电源相连接，产生脉动的直流电压。

2. 中间电路，有以下三种作用：

a. 使脉动的直流电压变得稳定或平滑，供逆变器使用。

b. 通过开关电源为各个控制线路供电。

c. 可以配置滤波或制动装置以提高变频器性能。

3. 逆变器 ，将固定的直流电压变换成可变电压和频率的交流电压。

4. 控制电路 ，它将信号传送给整流器、中间电路和逆变器，同时它也接收来自这些部分的信号。其主要组成部分是：输出驱动电路、操作控制电路。主要功能是：

a. 利用信号来开关逆变器的半导体器件。

b. 提供操作变频器的各种控制信号。

c. 监视变频器的工作状态，提供保护功能。

在现场对变频器以及周边控制装置的进行操作的人员，如果对一些常见的故障情况能作出判断和处理，就能大大提高工作效率，并且避免一些不必要的损失。为此，我们总结了一些变频器的基本故障，供大家作参考。以下检测过程无需打开变频器机壳，仅仅在外部对一些常见现象进行检测和判断。

1， 上电跳闸或变频器主电源接线端子部分出现火花。

检测办法和判断 ：断开电源线，检查变频器输入端子是否短路，检查变频器中间电路直流侧端子P、N是否短路。可能原因是整流器损坏或中间电路短路。

2， 上电无显示

检测办法和判断 ：断开电源线，检查电源是否是否有缺相或断路情况，如果电源正常则再次上电后则检查检查变频器中间电路直流侧端子P、N是否有电压，如果上述检查正常则判断变频器内部开关电源损坏。

3， 开机运行无输出（电动机不启动）

检测办法和判断 ：断开输出电机线，再次开机后观察变频器面板显示的输入频率，同时测量交流输出端子。可能原因是变频器启动参数设置或运行端子接线错误、也可能是逆变部分损坏或电动机没有正确链接到变频器。

4， 运行时“过电压”保护，变频器停止输出

检测办法和判断 ：检查电网电压是否过高，或者是电机负载惯性太大并且加减速时间太短导致的制动问题，请参考第8条。

5， 运行时“过电流”保护，变频器停止输出

检测办法和判断 ：电机堵转或负载过大。可以检查负载情况或适当调整变频器参数。如无法奏效则说明逆变器部分出现老化或损坏。

6， 运行时“过热”保护，变频器停止输出

检测办法和判断 ：视各品牌型号的变频器配置不同，可能是环境温度过高超过了变频器允许限额，检查散热风机是否运转或是电动机过热导致保护关闭。

7， 运行时“接地”保护，变频器停止输出

检测办法和判断 ：参考操作手册，检查变频器及电机是否可靠接地，或者测量电机的绝缘度是否正常。

8， 制动问题（过电压保护）

检测办法和判断 ：如果电机负载确实过大并需要在短时间内停车，则需购买带有制动单元的变频器并配置相当功率的制动电阻。如果已经配置了制动功能，则可能是制动电阻损坏或制动单元检测失效。

9， 变频器内部发出腐臭般的异味

检测办法和判断 ：切勿开机，很可能是变频器内部主滤波电容有破损漏液现象。

10，如判断出变频器部件损坏，则联系供应商或送交专业维修中心处理。

变频器故障分析

目前人们所说的交流调速系统，主要指电子式电力变换器对交流电动机的变频调速系统。变频调速系统以其优越于直流传动的特点，在很多场合中都被作为首选的传动方案，现代变频调速基本都采用16位或32位单片机作为控制核心，从而实现全数字化控制，调速性能与直流调速基本相近，但使用变频器时，其维护工作要比直流复杂，一旦发生故障，企业的普通电气人员就很难处理，这里就变频器常见的故障分析一下故障产生的原因及处理方法。

一、参数设置类故障

常用变频器在使用中，是否能满足传动系统的要求，变频器的参数设置非常重要，如果参数设置不正确，会导致变频器不能正常工作。

1、参数设置

常用变频器，一般出厂时，厂家对每一个参数都有一个默认值，这些参数叫工厂值。在这些参数值的情况下，用户能以面板操作方式正常运行的，但以面板操作并不满足大多数传动系统的要求。所以，用户在正确使用变频器之前，要对变频器参数时从以下几个方面进行：

（1）确认电机参数，变频器在参数中设定电机的功率、电流、电压、转速、最大频率，这些参数可以从电机铭牌中直接得到。

（2）变频器采取的控制方式，即速度控制、转距控制、PID控制或其他方式。采取控制方式后，一般要根据控制精度，需要进行静态或动态辨识。

（3）设定变频器的启动方式，一般变频器在出厂时设定从面板启动，用户可以根据实际情况选择启动方式，可以用面板、外部端子、通讯方式等几种。

（4）给定信号的选择，一般变频器的频率给定也可以有多种方式，面板给定、外部给定、外部电压或电流给定、通讯方式给定，当然对于变频器的频率给定也可以是这几种方式的一种或几种方式之和。正确设置以上参数之后，变频器基本上能正常工作，如要获得更好的控制效果则只能根据实际情况修改相关参数。

2、参数设置类故障的处理

一旦发生了参数设置类故障后，变频器都不能正常运行，一般可根据说明书进行修改参数。如果以上不行，最好是能够把所有参数恢复出厂值，然后按上述步骤重新设置，对于每一个公司的变频器其参数恢复方式也不相同。

二、过压类故障

变频器的过电压集中表现在直流母线的支流电压上。正常情况下，变频器直流电为三相全波整流后的平均值。若以380V线电压计算，则平均直流电压Ud= 1.35 U线＝513V。在过电压发生时，直流母线的储能电容将被充电，当电压上至760V左右时，变频器过电压保护动作。因此，变频器来说，都有一个正常的工作电压范围，当电压超过这个范围时很可能损坏变频器，常见的过电压有两类。

1、输入交流电源过压

这种情况是指输入电压超过正常范围，一般发生在节假日负载较轻，电压升高或降低而线路出现故障，此时最好断开电源，检查、处理。

2、发电类过电压

这种情况出现的概率较高，主要是电机的同步转速比实际转速还高，使电动机处于发电状态，而变频器又没有安装制动单元，有两起情况可以引起这一故障。

（1）当变频器拖动大惯性负载时，其减速时间设的比较小，在减速过程中，变频器输出的速度比较快，而负载靠本身阻力减速比较慢，使负载拖动电动机的转速比变频器输出的频率所对应的转速还要高，电动机处于发电状态，而变频器没有能量回馈单元，因而变频器支流直流回路电压升高，超出保护值，出现故障，而纸机中经常发生在干燥部分，处理这种故障可以增加再生制动单元，或者修改变频器参数，把变频器减速时间设的长一些。增加再生制动单元功能包括能量消耗型，并联直流母线吸收型、能量回馈型。能量消耗型在变频器直流回路中并联一个制动电阻，通过检测直流母线电压来控制功率管的通断。并联直流母线吸收型使用在多电机传动系统，这种系统往往有一台或几台电机经常工作于发电状态，产生再生能量，这些能量通过并联母线被处于电动状态的电机吸收。能量回馈型的变频器网侧变流器是可逆的，当有再生能量产生时可逆变流器就将再生能量回馈给电网。

（2）多个电动施动同一个负载时，也可能出现这一故障，主要由于没有负荷分配引起的。以两台电动机拖动一个负载为例，当一台电动机的实际转速大于另一台电动机的同步转速时，则转速高的电动机相当于原动机，转速低的处于发电状态，引起故障。在纸机经常发生在榨部及网部，处理时需加负荷分配控制。可以把处于纸机传动速度链分支的变频器特性调节软一些。

三、过流故障

过流故障可分为加速、减速、恒速过电流。其可能是由于变频器的加减速时间太短、负载发生突变、负荷分配不均，输出短路等原因引起的。这时一般可通过延长加减速时间、减少负荷的突变、外加能耗制动元件、进行负荷分配设计、对线路进行检查。如果断开负载变频器还是过流故障，说明变频器逆变电路已环，需要更换变频器。

四、过载故障

过载故障包括变频过载和电机器过载。其可能是加速时间太短，直流制动量过大、电网电压太低、负载过重等原因引起的。一般可通过延长加速时间、延长制动时间、检查电网电压等。负载过重，所选的电机和变频器不能拖动该负载，也可能是由于机械润滑不好引起。如前者则必须更换大功率的电机和变频器；如后者则要对生产机械进行检修。

五、其他故障

1、欠压

说明变频器电源输入部分有问题，需检查后才可以运行。

2、温度过高

如电动机有温度检测装置，检查电动机的散热情况；变频器温度过高，检查变频器的通风情况。

变频器发展的六大趋势

变频器是运动控制系统中的功率变换器。当今的运动控制系统是包含多种学科的技术领域，总的发展趋势是：驱动的交流化，功率变换器的高频化，控制的数字化、智能化和网络化。因此，变频器作为系统的重要功率变换部件，提供可控的高性能变压变频的交流电源而得到迅猛发展。

经历大约30年的研发与应用实践，随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展，变频器的性能价格比越来越高，体积越来越小，而厂家仍然在不断地提高可靠性实现变频器的进一步小型轻量化、高性能化和多功能化以及无公害化而做着新的努力。变频器性能的优劣，一要看其输出交流电压的谐波对电机的影响，二要看对电网的谐波污染和输入功率因数，三要看本身的能量损耗（即效率）如何？这里仅以量大面广的交—直—交变频器为例，阐述它的发展趋势：

1、主电路功率开关元件的自关断化、模块化、集成化、智能化，开关频率不断提高，开关损耗进一步降低。

2、变频器主电路的拓扑结构方面：

变频器的网侧变流器对低压小容量的装置常采用6脉冲变流器，而对中压大容量的装置采用多重化12脉冲以上的变流器。负载侧变流器对低压小容量装置常采用两电平的桥式逆变器，而对中压大容量的装置采用多电平逆变器。对于四象限运行的传动，为实现变频器再生能量向电网回馈和节省能量，网侧变流器应为可逆变流器，同时出现了功率可双向流动的双PWM变频器，对网侧变流器加以适当控制可使输入电流接近正弦波，减少对电网的公害。目前，低、中压变频器都有这类产品。

3、脉宽调制变压变频器的控制方法可以采用正弦波脉宽调制（SPWM）控制、消除指定次数谐波的PWM控制、电流跟踪控制、电压空间矢量控制（磁链跟踪控制）。

4、交流电动机变频调整控制方法的进展主要体现在由标量控制向高动态性能的矢量控制与直接转矩控制发展和开发无速度传感器的矢量控制和直接转矩控制系统方面。

5、微处理器的进步使数字控制成为现代控制器的发展方向：运动控制系统是快速系统，特别是交流电动机高性能的控制需要存储多种数据和快速实时处理大量信息。近几年来，国外各大公司纷纷推出以DSP（数字信号处理器）为基础的内核，配以电机控制所需的外围功能电路，集成在单一芯片内的称为DSP单片电机控制器，价格大大降低，体积缩小，结构紧凑，使用便捷，可靠性提高。DSP和普通的单片机相比，处理数字运算能力增强10～15倍，以确保系统有更优越的控制性能。

数字控制使硬件简化，柔性的控制算法使控制具有很大的灵活性，可实现复杂控制规律，使现代控制理论在运动控制系统中应用成为现实，易于与上层系统连接进行数据传输，便于故障诊断加强保护和监视功能，使系统智能化（如有些变频器具有自调整功能）。

6、交流同步电动机已成为交流可调传动中的一颗新星，特别是永磁同步电动机，电机获得无刷结构，功率因数高，效率也高，转子转速严格与电源频率保持同步。同步电机变频调速系统有他控变频和自控变频两大类。自控变频同步电机在原理上和直流电机极为相似，用电力电子变流器取代了直流电机的机械换向器，如采用交—直—交变压变频器时叫做“直流无换向器电机”或称“无刷直流电动机（BLDC）”。传统的自控变频同步机调速系统有转子位置传感器，现正开发无转子位置传感器的系统。同步电机的他控变频方式也可采用矢量控制，其按转子磁场定向的矢量控制比异步电机简单。

电压源型与电流源型无源逆变电路的区别有哪些

交-直-交变频器的中间直流环节如果是用大电容平波通常称为电压源型变频器。如果分开来称呼，则其后端逆变器部分叫电压源逆变器(vsi)，产品gb和iec标准也是这种称呼。其前端整流部分对电网而言是一个谐波源，也就叫电压型谐波源。与此相对照，交—直—交变频器的中间直流环节如果用大电感平波就分别称为电流源型变频器、电流源逆变器(csi)、电流源型谐波源。之所以要特别区分变频器为电压源和电流源两大类是因为他们的交流输入电流波形和变频后输出的交流电压和交流电流的波形及性能都有很大的不同。

2 电压源逆变器(vsi)

国内应用的低压变频器几乎全是电压源型，中间直流是用电容平波，直流电压比较稳定，它的逆变器输出的电压波形决定于逆变器的控制和调制方式，大体上可分为两类电压波形。?

2.1 矩形波电压输出

如果输出是双重的，也可以是“凸”字形电压波，总之离正弦形相去较远，也就是说电压波形中除了基波外，还有许多谐波电压，至于在这种电压波形下产生的电流则决定于电动机(还串有一段支线电缆)的阻抗(基波阻抗和谐波阻抗)，输出的基波电压分量/基波阻抗可得到基波电流，输出的谐波电压分量/谐波阻抗可得到谐波电流，电动机的基波阻抗是感性的，因而其谐波感抗xh为基波感抗x1的h倍(h为各次谐波的谐波次数)，矩形波电压的谐波电压分量为基波分量的1/h，因此，输出矩形波电压，得到的各次谐波电流为，以5次谐波电流为例约为基波电流的1/25=4%，7次为1/49≈2%，虽然谐波电流成分不大，但对电机仍有一定的负作用。变频器输出的谐波成分以谐波电压危害严重，表现为电压峰值和电压上升率dv/dt，它威胁着电机的相间绝缘、对地绝缘和匝间绝缘，主要是电机进线处的头几匝，对高压电动机这个问题更为突出，这在文献[1]中已有论述。

矩形波或“凸”字形波电压输出的变频器现已少见。

2.2 pwm调制波电压输出

这是现今最大量变频器(无论是低压或高压变频器)的输出电压波形，由于采用了正弦调制spwm，或其他更好的调制方式，使输出电压波形接近正弦波，这是指调制波的包络线而言的，但每单个调制波的dv/dt更大了，这是因为调制频率达到上千hz，为减少电力电子器件的损耗和发热，采用的是高速通断器件。不但每次的dv/dt更大，而且是反复加上dv/dt。由于行波现象，加到电机端上的电压峰值也更高(不超过直流中间电压的2倍)。至于输出的电流波形和上一节输出的矩形波电流相比，则谐波电流分量更小，电流波形相对更接近正弦波，这也就是为什么要采用pwm调制的理由。但du/dt和电压峰值的威胁仍然存在，还更严重。此外还有许多对电机不利的影响如轴电流等。

2.3 对策

欲减少变频器输出中含有的浪涌的严重程度，在一定的条件下，可采取对策(连同其效果)如下：(详见iec标准[1])

(1) 改变电动机电缆的长度和将电缆接地，这将改变电动机端上的浪涌幅值，虽然此措施常常是困难的或不实际的。

(2)采用有较高介质损耗的电缆(例如丁基橡胶或油纸绝缘)。采用铁材屏蔽的特种电缆也行。这些办法将减少振荡并改善电磁兼容(emc)性能。

(3) 如果相—地之间出现问题，可对接地配置加以改变。

(4) 装设输出电抗器，可增加峰值上升时间，它和电缆电容的联合作用将减少行波峰值电压。此时要考虑增加了电抗上的电压降。

(5) 装设输出dv/dt滤波器，可显著增加峰值上升时间。采用此措施可增加电缆长度。

(6)装设输出正弦波滤波器，可增加峰值上升时间。采用此方案的可能性决定于对象所要求的特性，特别是调速范围与动态性能，它有两种类型，类型i能同时减少相—相间和相—地间的电压应力;而类型ⅱ只能减少相—相间电压应力。此外这种滤波器可减少emc干扰和电动机的附加损耗和噪音，而且用了类型i滤波器后就可以采用标准的非屏蔽电缆。

(7) 在电动机端附近装设终端单元可抑制电动机端口的过电压。

(8) 降低每步脉冲的电压幅度，例如采用三电平或多电平变流器。

3 电流源逆变器(csi)

国内市场上出现的产品中只有ab公司的高压变频器，其他品牌的高压变频器以及全部低压变频器都不用这个csi方案，国内新出现一书[7]，对此论述最多，这个方案在技术原理上有特点，为了搞清楚他的内在实质，不妨探讨一番，以便于和电压源逆变器的性能比较。

csi的构造不同就是在整流后的中间直流环节用大电感平波，因而直流电流比较稳定，所以叫电流源型(但不是恒流)。

3.1 矩形波电流输出

最早出现的线路方案是采用晶闸管的串联二极管式即采用强迫换流，还有驱动同步电动机采用负载换流，由于当今市面上应用很少，这里对线路原理不再介绍，下面只讨论他的外部特性。在科技书籍里介绍csi特点次数多的当推文献[4]，csi的主要特点如下：

(1) 中间直流电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗;

(2) 交流侧输出电流为矩形波，与负载阻抗角无关;

(3) 交流侧输出电压波形和相位决定于负载阻抗;

(4)当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，为反馈无功能量，电流并不反向，因此不必像电压型逆变器一样要给开关器件反并二极管，直流侧电感可以贮存与释放无功能量;

(5) 同理，有功能量通过可控晶闸管桥可以反馈回交流电网，不要另设一套反馈到电网用逆变桥电路;

(6) 对触发信号的要求：对直流链总是要求有电流流通路径而不能开路，对交流侧不能有短路路径。

为什么输出交流电流为矩形波?因为直流侧有一个大电感，可以稳定直流电流(但不是恒流)。为什么输出交流电压波形决定于负载阻抗?这是因为v=iz，这个式中的i是正向、反向都是120°宽的矩形波，(也可能是120°宽的凸字形波)z为负载感抗，可以分解为基波和特征谐波。交流电流侧的负载为电动机，其负载特性为阻感负载，对各次谐波而言，谐波感抗是基波感抗的h倍，h是特征谐波次数例如5、7等等，但是要注意，直流侧的大电感对各次谐波而言，相当于一个很大的电源内抗，在这个大电感上会有很大的谐波电压降，结果，输出的交流电压波形虽不是正弦波，但也决不是矩形波，比较接近于正弦波，其原因应该是直流大电感上削去了大部分的谐波电压。

3.2 pwm调制波输出

被调制波的基波电流波形，由于是电流源所以为矩形波，经过pwm调制后，电流波形的包络线已初步接近正弦波，但免不了仍然有由调制频率而产生的高频电流波，他也会被中间直流环节的大电感所抑制，由于频率高，受到的抑制作用更强，所以交流输出不论是电流波还是电压波都是接近正弦波，基本理由应该是大电感抑制特征谐波成分和高频成分的结果。

在高压变频器中，对电动机威协严重的除了输出电压幅值外主要是输出交流电压中的dv/dt，此高值的dv/dt，其本质就是高频电压成分，同上面分析的道理一样，由于直流大电感的抑制作用，使dv/dt值大为缩小。

3.3 输出、输入端电容的滤波作用

电流源逆变器脉宽调制(csi-pwm)输出端都有一组并联的电容器，此电容是为了在换流过程中提供电流通路而设(因直流回路电感量很大，电流不能关断而宜另找通路)，此旁路电容对电流的谐波和高频成分阻抗分别较小和更小，(同时并联电容也流过不大的基波成分)因而同时也起了一定的滤波作用，使流向电动机的电流更靠近正弦波。同理，交流电源输入端也需要一组并联电容器，但它容易和电网系统内的电感产生lc串联谐振，为了避免揩振，产品厂家必须采抑制措施，文献[7]介绍了低损耗的有源阻尼方案。

4 变频器电网侧的谐波电流

此谐波电流与逆变电路无关，只决定于变频器前面输入整流部分的电路与中间直流是用电容还是电感平波下面不讨论pwm整流，pwm整流有很好的性能，可四象限运行，高cosφ，低谐波，但有高频骚扰输到电网(与调制频率有关)，主要问题是价格较高。这里只讨论常用三相或多相整流装置向电网输出的谐波。

4.1 电压源变频器的谐波

中间直流环节用大电容平波，只能稳定直流电压，此大电容对变动的输入却是低阻抗，因而输入电流有很大的谐波成分，iec标准[5]对此谐波分量已有数据列成表格如附表所示。

从附表中可以看出下面几个特点：

(1)谐波是特征谐波，只和整流脉动数有关，例如三相对称桥整流，则为6脉动，最低谐波次数为5次，如果为18脉动，则最低谐波次数为17次(理论上没有5、7、11、13等低次谐波)，所以大功率整流多采用多相整流，即变压器有多个付绕组，彼此的相角有移位，而且谐波次数愈高，谐波相对值愈小。

(2)各次谐波量的大小与变频器输入端的系统短路容量大小成正相关关系，短路容量愈小，谐波量愈小，所以在变频器输入端之前要求串入一台相对电抗值x%为4%的输入电抗器，对低压变频器而言，制造厂一般都成套提供。对高压变频器而言，这个道理是一样的，附表的数值也是适用的。x%不能太大也不能太小。

(3) 和下面的电流型变频器相比，电压源变频器在同等条件下的谐波电流要大很多，对这一点，下面第4.3节再作对比分析。

4.2 电流源变频器的谐波

中间直流环节用大电感，对变动的电流而言，是一个很大的内抗，因而变频器输入电流中的谐波成分相对较少，它有以下特性：?

(1) ih/i1= 1/h

上式中：i1-基波电流，由负载大小决定;ih-特征谐波中的第h次的谐波电流。

可见，谐波次数h愈高，其电流愈小，与h成反比，例如5次谐波只有基波电流的20%。

(2) 同电压型谐波源的第(1)点一样，谐波也是 特征谐波，如果采用多相整流例如18脉动，最低谐波次数为17次，没有13次以下的谐波。

(3) 变频器输入端短路容量减少时，谐波电流略有减少，但变化不大。

4.3 电压源与电流源谐波的比较

从上面分析可知对普通整流而言，二者的谐波都是特征谐波，通过多相整流，可以消除低次的特征谐波，谐波的次数愈高，其数值愈小，但对同一次谐波而言，电压源的谐波电流要大得多，以5次谐波为例，电流源的谐波相对值为1/5约为0.2，而电压源的谐波电流值为0.3，而且这是有条件的：rsc=20，即在变频器输入端之前需要串有一个输入电抗器，其相对电抗值加上电源系统的电抗(主要是变压器电抗)要等于5%。电流源变频器之前则并不需要为限制特征谐波而设置输入电抗器。

5 变频器输出电流动态性能比较

某些意见认为电流源变频器输出电流的快速性好，笔者不认同此结论，它的快速性肯定不如电压源变频器，理由如下：如果要瞬时增加输出电流：

(1) 改变逆变侧pwm的调制规律，提高直流电压利用率，如果输出是方块波，则已无能为力;

(2) 从输入交流侧提高中间的直流电压值例如当输入侧整流桥使用的是可控或半可控器件(晶闸管)时。

但即使这两个措施同时采用，由于中间直流环节中有一个很大的电抗器，电流的上升速度就受到很大的抑制，电压源变频器则刚好相反，中间并联的大电容是一个低阻抗，无论是接受电网来的能量，或输出能量给逆变器和电机，它几乎没有阻碍作用，只要有控制措施，就能快速响应。

基于这样的分析，电流源变频器不适宜于动态性能要求很高的机械，例如轧钢机、提升机等，但电流上升率较低也有好处，就是万一发生短路，电子式过流保护易于凑效，电流上升率低这一固有性能、可以充分恰当地加以利用。?

6 综合性能比较

当前，电压源变频器在低压产品方面是压倒性的主流，在1kv以上高压产品方面也是主流，这是不争的事实，预计将来的局面也不会改变，这是因为电压源变频器的性能通用性强，适用于各种不同要求的负载，设计、生产技术也比较成熟，一般厂家都能掌握，但是高压变频器产品尚在发展中，当前尚存的主要问题包括：高电压大电流的全关断电力电子器件有待发展，电动机耐受高dv/dt的能力有限，因而三电平或多电平电压源高压变频器是一个现实的可行方案，为了得到既可靠又经济的三电平或多电平方案，不同的拓扑结构尚在研发中。

电流源变频器不适用于负荷快速度化的负载，他的优点是两电平方案有不危害电机的dv/dt输出，如果将来高电压大电流的全关断器件能以不太高的价格大量出现，则他的发展势头有可能加大。

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