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现代变频调速系统负面效应研究及其对策

姜艳姝  
【摘要】: 随着变频器的小型化、多功能化、高性能化,尤其是控制手段的全数字化,使变频器的灵活性和适应性不断增强。因此,在现代工业中,变频器的使用越来越广泛。目前几乎所有变频器都采用PWM控制技术,它可以改善变频器的输出波形,与其它控制形式的变频器相比,可降低电动机谐波损耗,减小转矩脉动,简化逆变器结构,加快调节速度,提高系统的动态性能。 但在PWM变频器的广泛使用中,发现其带来一些显著的负面效应。首先,在PWM变频器与电动机之间需长线电缆传输时在电动机端产生过电压,加剧了电动机绕组绝缘压力;其次,电压源型PWM变频器会产生高频共模电压,它会在电动机转轴上感应出高的轴电压,并形成轴承电流,使电动机的轴承在短期内造成电气原因的损坏,缩短电机使用寿命。再次,高速开关的电力电子器件产生强烈的电磁干扰(EMI)。传导性EMI和辐射性EMI会干扰其他控制系统或电子设备的正常运行,甚至导致误动作。上述PWM变频所带来的负面效应使系统可靠性下降,故障率增加,但往往被变频器的使用者忽视,然而它所带来的实际损失可能大大超过交流变频调速系统本身的成本。因此,研究PWM变频器产生的负面效应及其解决方法具有重要的理论意义和实用价值。 首先,利用传输线理论,研究了逆变器在长线传输时产生的过电压问题,即把PWM变频器输出的PWM电压脉冲信号看作是在长线电缆上传输的行波,由于长线电缆的分布参数,使电压行波在电动机端产生反射现象,反射波与入射波叠加,使电动机端电压近似加倍,从而在电动机端产生过电压、高频阻尼振荡等现象,大大加剧了电动机绕组的绝缘压力,使电动机绝缘过快损坏,降低了电机的使用寿命。理论分析、仿真和实验研究表明,电动机端过电压与PWM变频器采用的开关器件上升时间和PWM变频器与电动机之间的电缆长度密切相关,上升时间越短,电缆长度越长,电压反射现象越显著,过电压也越高。研究了电压源型PWM逆变器输出产生的共模电压及其负面效应的本质,揭示了共模电压的本质及其抑制方法,并得出共模电压是逆变器输出负面效应的产生的根源的结论。为消除PWM变频器长线传输时在电动机端产生的过电压等负面效应,提出了一种以差模滤波为主,兼有抑制共模电压作用的逆变器输出无源滤波器。该滤波器是在基本RLC滤波器基础上通过在滤波电感上增加附加绕组来实现的。其特点是将两种滤波作用有机结合。仿真及试验表明,在满足差模滤波要求的同时,可减小共模电压有效值约60%。文中示出了该滤波器的基本结构及其差模和共模等效电路,分析了差模和共模电压转移函数,给出了滤波器参数的工程计算方法及部分试验结果。 鉴于两电平逆变器的输出共模电压只能依靠外接滤波器进行消除,研究了共模电压的三电平抑制技术。利用三电平逆变器的有效开关状态,分析了三电平逆变器中产生共模电压的原因,得出奇数电平逆变器可以通过软件的方法来抑制共模电压的结论。针对常用逆变器控制策略—SPWM和SVM,分别提出了降低和消除共模电压的改进策略,并用仿真结果验证了其正确性。并对不同的策略进行了对电机性能影响的比较,验证了所提策略的可用性。 分析了矩阵变换器共模电压产生的机理。对双电压控制策略下矩阵变换器共模电压的局部平均值和瞬时值进行了理论分析,采用了两种改变零输出状态开关位置的方法来减小共模电压的瞬时值,分别使共模电压的最大瞬时值减少到原来的86.67%和57.73%。并分析了改变零输出状态开关位置对输出电压,输入电流和开关损耗的影响。提出了一种矩阵变换器的零电压换相策略,该策略的最大电压增益可达到理论上的最大值,输出三相线电压局部平均值为对称正弦量,共模电压最大瞬时值为输入相电压幅值的一半。


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