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作者： 来源： 发布时间：2018/2/11 16:12:47  点击数：388

abstract : in this paper we will introduce the load-commutated inverter and multi-level inverter driving a synchronous motor compare and contrast the performance of them.
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变频器来说，目前主要存在的问题是共模电压和起动问题。共模电压可损坏电机绝缘，若不用其它方法来解决，则电机应设计一套高绝缘的系统。起动问题是在低速时，即10%额定转速下，同步电动机产生的反电势不足以用来换流，所以必须采取电流断续的方法来进行换流，这势必造成电机更大的转矩脉动。尽管lci变频器有上述这些缺点，但是应用还是比较广泛的。近年来，由于可关断器件的出现，特别是基于igbt技术的低压变频器的普及，使得新型多电平pwm式高压变频器的应用成为可能。
3 多电平pwm式高压变频器(mli)
多电平pwm式高压变频器(mli)如图4所示。由于mli变频器是电压型变频器，所以在所有负载条件下，其功率因数在0.95以上。mli变频器用多脉波输入，从而减少了高次谐波。当供电系统a、b、c三相平衡时，3个功率单元串联的mli的 输入电流失真为3%，5个功率单元串联的mli的输入电流失真小于1%。这样，就不必应用任何功率因数改善装置。mli变频器的输入和输出波形如图5、如图6所示。由于输出波形中有很多阶梯叠加，且进行智能化pwm调节，所以在满载和全频时，输出电压波形中没有较低的谐波出现，输出电流波形也几乎接近正弦波，从而避免了转矩脉动现象。
由于能量从电源输入，所以在空载时，其输入电流很低，仅仅是其隔离变压器的激磁电流和损耗电流，因此mli变频器易于起动和运行。虽然低频时有些低频谐波，但并不影响mli变频器的运行，且转矩脉动很小。当mli变频器用于驱动同步电动机时，要解决的只是激磁回路的控制问题。图7是mli变频器用于驱动3750hp同步电动机的原理图。在图中，有两组3相6个scr ac开关，用于给激磁回路供电。一组是同步电动机工频运行时应用，一组是同步电动机变频运行时应用。它们互为备用，以提高系统的可靠性。本系统有两种工作模式，分述如下:
(1)同步电动机工频工作模式
在无刷激磁器中，有一个三相绕组的转子和一个单相绕组的直流定子。同步电动机被其内的鼠笼绕组产生的异步电动机转矩加速到准同步转速时，激磁器上的转子绕组感应出的电压，经过整流后，加到激磁的定子上，这样就给同步电动机加上了主磁场。对于固定的定子磁通，激磁器上的转子产生的电压也相对固定。在旋转整流装置上，其电压被一个同步电路控制。当电动机几乎以同步速度工作时，在适当的时间可通过触发scr来控制主磁场。当电动机低于同步速度时，通过感应磁场电流的频率来控制主磁场。
(2)同步电动机变频工作模式
同步电动机变频工作时，在静止时，无电压产生，磁场中的能量必须通过激磁器中的绕组的变压器作用传递。同步电动机起动时，首先通过激磁来建立磁通(由于同步电抗低于异步电动机的激磁电抗，所以在没有激磁电流的情况下，激磁器将用更大的定子电流来建立磁通)。当激磁器中的转子电压通过旋转整流装置变成直流电压后，触发同步电路。此时，感应磁场将不存在，因为没有定子反电势存在。所以稍停一下后，触发器scr，允许整流装置的直流输出，给主磁场供电。然后变频器输出低频低压电至同步电动机的定子上，并产生定子电流，但这将不会产生工频起动时的锁定转子现象，且定子中的电流只能等于或小于额定电流。通过电流与磁场中磁通的相互作用，建立定子反电势，并产生转矩。此时，转子与磁通、定子反电势在同一旋转轴上，同步电动机被牵入同步。当变频器频率增加时，定子反电势的旋转开始减慢，这将引起同步电动机的功角增加，并且产生同步转矩，使转子跟随定子旋转。不像工频起动那样，变频起动时，同步转矩在静止和加速期间就产生了。因此同步电动机内的鼠笼转子不产生任何电流和热量。这样就可以对同步电动机进行无数次起动，电机内鼠笼转子结构也不会因热周期的影响而变化。
4 结束语
对于大功率的调速控制，已有很多应用，但对于同步电动机进行调速还很少。本文提出的两种同步电动机调速系统，在实际中都有应用，但mli变频器的应用效果要好于lci变频器。
5 参考文献
(1) 佟纯厚 “近代交流调速” 冶金工业出版社 1997
(2)rosa, j. utilization and rating of machine commutated inverter synchronous motor drives,
ieee trans，ind. appl. march-april vol.ia15 no.2 1997
(3) hammond, p. a new approach to enhance power quality for medium voltage drives, ieee/pcic
conference record
1995

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