中心議題：

• 電壓源逆變器與電流源逆變器性能對比

解決方案：

• 采用pwm調製
• 采用鐵材屏蔽的特種電纜
• 改變逆變側pwm的調製規律

1引言

交-直-交變頻器的中間直流環節如果是用大電容平波通常稱為電壓源型變頻器。如果分開來稱呼
，則其後端逆變器部分叫電壓源逆變器(vsi)
，產品gb和iec標準也是這種稱呼。其前端整流部分對電網而言是一個諧波源，也就叫電壓型諧波源。與此相對照，交—直—交變頻器的中間直流環節如果用大電感平波就分別稱為電流源型變頻器
、電流源逆變器(csi)
、電dian流liu源yuan型xing諧xie波bo源yuan。之zhi所suo以yi要yao特te別bie區qu分fen變bian頻pin器qi為wei電dian壓ya源yuan和he電dian流liu源yuan兩liang大da類lei是shi因yin為wei他ta們men的de交jiao流liu輸shu入ru電dian流liu波bo形xing和he變bian頻pin後hou輸shu出chu的de交jiao流liu電dian壓ya和he交jiao流liu電dian流liu的de波bo形xing及ji性xing能neng都dou有you很hen大da的de不bu同tong。

2電壓源逆變器(vsi)

國(guo)內(nei)應(ying)用(yong)的(de)低(di)壓(ya)變(bian)頻(pin)器(qi)幾(ji)乎(hu)全(quan)是(shi)電(dian)壓(ya)源(yuan)型(xing)，中(zhong)間(jian)直(zhi)流(liu)是(shi)用(yong)電(dian)容(rong)平(ping)波(bo)，直(zhi)流(liu)電(dian)壓(ya)比(bi)較(jiao)穩(wen)定(ding)，它(ta)的(de)逆(ni)變(bian)器(qi)輸(shu)出(chu)的(de)電(dian)壓(ya)波(bo)形(xing)決(jue)定(ding)於(yu)逆(ni)變(bian)器(qi)的(de)控(kong)製(zhi)和(he)調(tiao)製(zhi)方(fang)式(shi)，大(da)體(ti)上(shang)可(ke)分(fen)為(wei)兩(liang)類(lei)電(dian)壓(ya)波(bo)形(xing)。

2.1矩形波電壓輸出

如果輸出是雙重的，也可以是“凸”字zi形xing電dian壓ya波bo，總zong之zhi離li正zheng弦xian形xing相xiang去qu較jiao遠yuan，也ye就jiu是shi說shuo電dian壓ya波bo形xing中zhong除chu了le基ji波bo外wai

，還hai有you許xu多duo諧xie波bo電dian壓ya，至zhi於yu在zai這zhe種zhong電dian壓ya波bo形xing下xia產chan生sheng的de電dian流liu則ze決jue定ding於yu電dian動dong機ji(還串有一段支線電纜)的阻抗(基波阻抗和諧波阻抗)
，輸出的基波電壓分量/基波阻抗可得到基波電流，輸出的諧波電壓分量/諧波阻抗可得到諧波電流，電動機的基波阻抗是感性的
，因而其諧波感抗xh為基波感抗x1的h倍(h為各次諧波的諧波次數)，矩形波電壓的諧波電壓分量為基波分量的1/h
，因此，輸出矩形波電壓，得到的各次諧波電流為，以5次諧波電流為例約為基波電流的1/25=4%，7次為1/49≈2%，雖然諧波電流成分不大，但對電機仍有一定的負作用。變頻器輸出的諧波成分以諧波電壓危害嚴重，表現為電壓峰值和電壓上升率dv/dt，它威脅著電機的相間絕緣、對地絕緣和匝間絕緣
，主要是電機進線處的頭幾匝，對高壓電動機這個問題更為突出，這在文獻[1]中已有論述。

矩形波或“凸”字形波電壓輸出的變頻器現已少見。

2.2pwm調製波電壓輸出

這是現今最大量變頻器(無論是低壓或高壓變頻器)的輸出電壓波形
，由於采用了正弦調製spwm，或其他更好的調製方式
，使輸出電壓波形接近正弦波
，這是指調製波的包絡線而言的

，但每單個調製波的dv/dt更大了，這是因為調製頻率達到上千hz，為減少電力電子器件的損耗和發熱，采用的是高速通斷器件。不但每次的dv/dt更大，而且是反複加上dv/dt。由於行波現象
，加到電機端上的電壓峰值也更高(不超過直流中間電壓的2倍)。至於輸出的電流波形和上一節輸出的矩形波電流相比，則諧波電流分量更小
，電流波形相對更接近正弦波，這也就是為什麼要采用pwm調製的理由。但du/dt和電壓峰值的威脅仍然存在，還更嚴重。此外還有許多對電機不利的影響如軸電流等。

2.3對策

欲減少變頻器輸出中含有的浪湧的嚴重程度，在一定的條件下

，可采取對策(連同其效果)如下：(詳見iec標準[1])

(1)改變電動機電纜的長度和將電纜接地，這將改變電動機端上的浪湧幅值，雖然此措施常常是困難的或不實際的。

(2)采用有較高介質損耗的電纜(例如丁基橡膠或油紙絕緣)。采用鐵材屏蔽的特種電纜也行。這些辦法將減少振蕩並改善電磁兼容(emc)性能。

(3)如果相—地之間出現問題，可對接地配置加以改變。

(4)裝設輸出電抗器，可增加峰值上升時間
，它和電纜電容的聯合作用將減少行波峰值電壓。此時要考慮增加了電抗上的電壓降。

(5)裝設輸出dv/dt濾波器
，可顯著增加峰值上升時間。采用此措施可增加電纜長度。

(6)裝(zhuang)設(she)輸(shu)出(chu)正(zheng)弦(xian)波(bo)濾(lv)波(bo)器(qi)
，可(ke)增(zeng)加(jia)峰(feng)值(zhi)上(shang)升(sheng)時(shi)間(jian)。采(cai)用(yong)此(ci)方(fang)案(an)的(de)可(ke)能(neng)性(xing)決(jue)定(ding)於(yu)對(dui)象(xiang)所(suo)要(yao)求(qiu)的(de)特(te)性(xing)，特(te)別(bie)是(shi)調(tiao)速(su)範(fan)圍(wei)與(yu)動(dong)態(tai)性(xing)能(neng)，它(ta)有(you)兩(liang)種(zhong)類(lei)型(xing)
，類(lei)型(xing)i能同時減少相—相間和相—地間的電壓應力;而類型ⅱ隻能減少相—相間電壓應力。此外這種濾波器可減少emc幹擾和電動機的附加損耗和噪音，而且用了類型i濾波器後就可以采用標準的非屏蔽電纜。

(7)在電動機端附近裝設終端單元可抑製電動機端口的過電壓。

(8)降低每步脈衝的電壓幅度
，例如采用三電平或多電平變流器。
[page]
3電流源逆變器(csi)

國內市場上出現的產品中隻有ab公司的高壓變頻器
，其他品牌的高壓變頻器以及全部低壓變頻器都不用這個csi方案，國內新出現一書[7]，對此論述最多，這個方案在技術原理上有特點
，為了搞清楚他的內在實質，不妨探討一番，以便於和電壓源逆變器的性能比較。

csi的構造不同就是在整流後的中間直流環節用大電感平波，因而直流電流比較穩定，所以叫電流源型(但不是恒流)。

3.1矩形波電流輸出

最zui早zao出chu現xian的de線xian路lu方fang案an是shi采cai用yong晶jing閘zha管guan的de串chuan聯lian二er極ji管guan式shi即ji采cai用yong強qiang迫po換huan流liu，還hai有you驅qu動dong同tong步bu電dian動dong機ji采cai用yong負fu載zai換huan流liu，由you於yu當dang今jin市shi麵mian上shang應ying用yong很hen少shao，這zhe裏li對dui線xian路lu原yuan理li不bu再zai介jie紹shao
，下xia麵mian隻zhi討tao論lun他ta的de外wai部bu特te性xing。在zai科ke技ji書shu籍ji裏li介jie紹shaocsi特點次數多的當推文獻[4]，csi的主要特點如下：

(1)中間直流電流基本無脈動
，直流回路呈現高阻抗;

(2)交流側輸出電流為矩形波，與負載阻抗角無關;

(3)交流側輸出電壓波形和相位決定於負載阻抗;

(4)當dang交jiao流liu側ce為wei阻zu感gan負fu載zai時shi需xu要yao提ti供gong無wu功gong功gong率lv，為wei反fan饋kui無wu功gong能neng量liang，電dian流liu並bing不bu反fan向xiang
，因yin此ci不bu必bi像xiang電dian壓ya型xing逆ni變bian器qi一yi樣yang要yao給gei開kai關guan器qi件jian反fan並bing二er極ji管guan

，直zhi流liu側ce電dian感gan可ke以yi貯zhu存cun與yu釋shi放fang無wu功gong能neng量liang;

(5)同理，有功能量通過可控晶閘管橋可以反饋回交流電網，不要另設一套反饋到電網用逆變橋電路;

(6)對觸發信號的要求：對直流鏈總是要求有電流流通路徑而不能開路

，對交流側不能有短路路徑。

為什麼輸出交流電流為矩形波?因為直流側有一個大電感，可以穩定直流電流(但不是恒流)。為什麼輸出交流電壓波形決定於負載阻抗?這是因為v=iz，這個式中的i是正向、反向都是120°寬的矩形波，(也可能是120°寬的凸字形波)z為wei負fu載zai感gan抗kang
，可ke以yi分fen解jie為wei基ji波bo和he特te征zheng諧xie波bo。交jiao流liu電dian流liu側ce的de負fu載zai為wei電dian動dong機ji，其qi負fu載zai特te性xing為wei阻zu感gan負fu載zai，對dui各ge次ci諧xie波bo而er言yan，諧xie波bo感gan抗kang是shi基ji波bo感gan抗kang的deh倍，h是特征諧波次數例如5

、7等deng等deng，但dan是shi要yao注zhu意yi，直zhi流liu側ce的de大da電dian感gan對dui各ge次ci諧xie波bo而er言yan
，相xiang當dang於yu一yi個ge很hen大da的de電dian源yuan內nei抗kang，在zai這zhe個ge大da電dian感gan上shang會hui有you很hen大da的de諧xie波bo電dian壓ya降jiang，結jie果guo，輸shu出chu的de交jiao流liu電dian壓ya波bo形xing雖sui不bu是shi正zheng弦xian波bo，但dan也ye決jue不bu是shi矩ju形xing波bo，比bi較jiao接jie近jin於yu正zheng弦xian波bo，其qi原yuan因yin應ying該gai是shi直zhi流liu大da電dian感gan上shang削xue去qu了le大da部bu分fen的de諧xie波bo電dian壓ya。

3.2pwm調製波輸出

被調製波的基波電流波形
，由於是電流源所以為矩形波，經過pwm調(tiao)製(zhi)後(hou)，電(dian)流(liu)波(bo)形(xing)的(de)包(bao)絡(luo)線(xian)已(yi)初(chu)步(bu)接(jie)近(jin)正(zheng)弦(xian)波(bo)
，但(dan)免(mian)不(bu)了(le)仍(reng)然(ran)有(you)由(you)調(tiao)製(zhi)頻(pin)率(lv)而(er)產(chan)生(sheng)的(de)高(gao)頻(pin)電(dian)流(liu)波(bo)，他(ta)也(ye)會(hui)被(bei)中(zhong)間(jian)直(zhi)流(liu)環(huan)節(jie)的(de)大(da)電(dian)感(gan)所(suo)抑(yi)製(zhi)，由(you)於(yu)頻(pin)率(lv)高(gao)
，受(shou)到(dao)的(de)抑(yi)製(zhi)作(zuo)用(yong)更(geng)強(qiang)，所(suo)以(yi)交(jiao)流(liu)輸(shu)出(chu)不(bu)論(lun)是(shi)電(dian)流(liu)波(bo)還(hai)是(shi)電(dian)壓(ya)波(bo)都(dou)是(shi)接(jie)近(jin)正(zheng)弦(xian)波(bo)，基(ji)本(ben)理(li)由(you)應(ying)該(gai)是(shi)大(da)電(dian)感(gan)抑(yi)製(zhi)特(te)征(zheng)諧(xie)波(bo)成(cheng)分(fen)和(he)高(gao)頻(pin)成(cheng)分(fen)的(de)結(jie)果(guo)。

在高壓變頻器中
，對電動機威協嚴重的除了輸出電壓幅值外主要是輸出交流電壓中的dv/dt，此高值的dv/dt
，其本質就是高頻電壓成分
，同上麵分析的道理一樣，由於直流大電感的抑製作用，使dv/dt值大為縮小。

3.3輸出、輸入端電容的濾波作用

電流源逆變器脈寬調製(csi-pwm)輸出端都有一組並聯的電容器，此電容是為了在換流過程中提供電流通路而設(因直流回路電感量很大
，電流不能關斷而宜另找通路)，此旁路電容對電流的諧波和高頻成分阻抗分別較小和更小
，(同時並聯電容也流過不大的基波成分)因(yin)而(er)同(tong)時(shi)也(ye)起(qi)了(le)一(yi)定(ding)的(de)濾(lv)波(bo)作(zuo)用(yong)
，使(shi)流(liu)向(xiang)電(dian)動(dong)機(ji)的(de)電(dian)流(liu)更(geng)靠(kao)近(jin)正(zheng)弦(xian)波(bo)。同(tong)理(li)，交(jiao)流(liu)電(dian)源(yuan)輸(shu)入(ru)端(duan)也(ye)需(xu)要(yao)一(yi)組(zu)並(bing)聯(lian)電(dian)容(rong)器(qi)

，但(dan)它(ta)容(rong)易(yi)和(he)電(dian)網(wang)係(xi)統(tong)內(nei)的(de)電(dian)感(gan)產(chan)生(sheng)lc串聯諧振，為了避免揩振
，產品廠家必須采抑製措施，文獻[7]介紹了低損耗的有源阻尼方案。

4變頻器電網側的諧波電流

此諧波電流與逆變電路無關，隻決定於變頻器前麵輸入整流部分的電路與中間直流是用電容還是電感平波下麵不討論pwm整流，pwm整流有很好的性能，可四象限運行

，高cosφ，低諧波，但有高頻騷擾輸到電網(與調製頻率有關)，主要問題是價格較高。這裏隻討論常用三相或多相整流裝置向電網輸出的諧波。
[page]
4.1電壓源變頻器的諧波

中間直流環節用大電容平波，隻能穩定直流電壓，此大電容對變動的輸入卻是低阻抗

，因而輸入電流有很大的諧波成分，iec標準[5]對此諧波分量已有數據列成表格如附表所示。
 
從附表中可以看出下麵幾個特點：

(1)諧波是特征諧波
，隻和整流脈動數有關，例如三相對稱橋整流
，則為6脈動，最低諧波次數為5次，如果為18脈動，則最低諧波次數為17次(理論上沒有5、7、11、13等低次諧波)

，所以大功率整流多采用多相整流，即變壓器有多個付繞組，彼此的相角有移位
，而且諧波次數愈高，諧波相對值愈小。

(2)各(ge)次(ci)諧(xie)波(bo)量(liang)的(de)大(da)小(xiao)與(yu)變(bian)頻(pin)器(qi)輸(shu)入(ru)端(duan)的(de)係(xi)統(tong)短(duan)路(lu)容(rong)量(liang)大(da)小(xiao)成(cheng)正(zheng)相(xiang)關(guan)關(guan)係(xi)，短(duan)路(lu)容(rong)量(liang)愈(yu)小(xiao)
，諧(xie)波(bo)量(liang)愈(yu)小(xiao)，所(suo)以(yi)在(zai)變(bian)頻(pin)器(qi)輸(shu)入(ru)端(duan)之(zhi)前(qian)要(yao)求(qiu)串(chuan)入(ru)一(yi)台(tai)相(xiang)對(dui)電(dian)抗(kang)值(zhi)x%為4%的輸入電抗器
，對低壓變頻器而言
，製造廠一般都成套提供。對高壓變頻器而言，這個道理是一樣的，附表的數值也是適用的。x%不能太大也不能太小。

(3)和下麵的電流型變頻器相比，電壓源變頻器在同等條件下的諧波電流要大很多，對這一點，下麵第4.3節再作對比分析。

4.2電流源變頻器的諧波

中間直流環節用大電感，對變動的電流而言，是一個很大的內抗，因而變頻器輸入電流中的諧波成分相對較少

，它有以下特性：

(1)ih/i1=1/h

上式中：i1-基波電流

，由負載大小決定;ih-特征諧波中的第h次的諧波電流。

可見
，諧波次數h愈高，其電流愈小，與h成反比，例如5次諧波隻有基波電流的20%。

(2)同電壓型諧波源的第(1)點一樣
，諧波也是特征諧波，如果采用多相整流例如18脈動，最低諧波次數為17次，沒有13次以下的諧波。

(3)變頻器輸入端短路容量減少時，諧波電流略有減少
，但變化不大。

4.3電壓源與電流源諧波的比較

congshangmianfenxikezhiduiputongzhengliueryan
，erzhedexiebodoushitezhengxiebo
，tongguoduoxiangzhengliu
，keyixiaochudicidetezhengxiebo，xiebodecishuyugao，qishuzhiyuxiao


，danduitongyicixieboeryan，dianyayuandexiebodianliuyaodadeduo
，yi5次諧波為例
，電流源的諧波相對值為1/5約為0.2
，而電壓源的諧波電流值為0.3，而且這是有條件的：rsc=20，即在變頻器輸入端之前需要串有一個輸入電抗器
，其相對電抗值加上電源係統的電抗(主要是變壓器電抗)要等於5%。電流源變頻器之前則並不需要為限製特征諧波而設置輸入電抗器。

5變頻器輸出電流動態性能比較

某些意見認為電流源變頻器輸出電流的快速性好，筆者不認同此結論

，它的快速性肯定不如電壓源變頻器
，理由如下：如果要瞬時增加輸出電流：

(1)改變逆變側pwm的調製規律，提高直流電壓利用率
，如果輸出是方塊波，則已無能為力;

(2)從輸入交流側提高中間的直流電壓值例如當輸入側整流橋使用的是可控或半可控器件(晶閘管)時。

但dan即ji使shi這zhe兩liang個ge措cuo施shi同tong時shi采cai用yong
，由you於yu中zhong間jian直zhi流liu環huan節jie中zhong有you一yi個ge很hen大da的de電dian抗kang器qi
，電dian流liu的de上shang升sheng速su度du就jiu受shou到dao很hen大da的de抑yi製zhi

，電dian壓ya源yuan變bian頻pin器qi則ze剛gang好hao相xiang反fan，中zhong間jian並bing聯lian的de大da電dian容rong是shi一yi個ge低di阻zu抗kang
，無wu論lun是shi接jie受shou電dian網wang來lai的de能neng量liang


，或huo輸shu出chu能neng量liang給gei逆ni變bian器qi和he電dian機ji
，它ta幾ji乎hu沒mei有you阻zu礙ai作zuo用yong
，隻zhi要yao有you控kong製zhi措cuo施shi
，就jiu能neng快kuai速su響xiang應ying。

基於這樣的分析，電流源變頻器不適宜於動態性能要求很高的機械，例如軋鋼機
、提升機等，但電流上升率較低也有好處
，就是萬一發生短路，電子式過流保護易於湊效
，電流上升率低這一固有性能、可以充分恰當地加以利用。

6綜合性能比較

當前
，電壓源變頻器在低壓產品方麵是壓倒性的主流，在1kvyishanggaoyachanpinfangmianyeshizhuliu，zheshibuzhengdeshishi，yujijianglaidejumianyebuhuigaibian，zheshiyinweidianyayuanbianpinqidexingnengtongyongxingqiang
，shiyongyugezhongbutongyaoqiudefuzai，sheji
、生產技術也比較成熟，一般廠家都能掌握，但是高壓變頻器產品尚在發展中，當前尚存的主要問題包括：高電壓大電流的全關斷電力電子器件有待發展，電動機耐受高dv/dtdenengliyouxian，yinersandianpinghuoduodianpingdianyayuangaoyabianpinqishiyigexianshidekexingfangan，weilededaojikekaoyoujingjidesandianpinghuoduodianpingfangan，butongdetuopujiegoushangzaiyanfazhong。

電流源變頻器不適用於負荷快速度化的負載，他的優點是兩電平方案有不危害電機的dv/dt輸出，如果將來高電壓大電流的全關斷器件能以不太高的價格大量出現，則他的發展勢頭有可能加大。