高压电压源与电流源变频器性能对比的讨论.docx
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高压电压源与电流源变频器性能对比的讨论
高压电压源与电流源变频器性能对比的讨论
1引言
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。
2.2pwm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。
3.2pwm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。
7结束语
由上述分析可以看出，电压源和电流源两类高压变频器各有各的发展空间，当前尚处在性价比的竞争态势中，本文的目的只是对两类高压变频器的技术性能作一些尝试性的分析和比较探讨，对深入理解可能有些帮助，欢迎批评和指正。
作者简介
蒋麦占ieee高级会员，《电气工程应用》杂志主编，全国建筑物电气装置标准化技术委员会委员，中国电工技术学会工业与建筑应用电气专家委员会委员、副主任，主要从事电气工程设计。
参考文献
[1]iec/ts60034-25:
2007年第二版,旋转电机,第25部分:
专为变流器供电而设计的交流电动机的设计指南及其性能
[2]iec/ts60034-17:
2006年第4版,旋转电机,第17部分:
由变流器供电时的笼形感应电动机——应用指南
[3]蒋麦占.变频器应用对电动机与电网的不良影响及对策.变频器世界2007（4）
[4]王兆安,黄俊.电力电子技术（第四版）.北京:
机械工业出版社,2001
[5]iec61000-2-6:
1995,工厂电源系统低频传导骚扰发射水平的评估
[6]navidr.zagari等.位移因数接近1的电流源pwm驱动装置.美国ieee-iamagazine,1999年第四期
[7]binwu.著大功率变频器及交流传动,卫三民等译.北京:
机械工业出版社,2008
水泥企业变频调速系统中变频器的选择
随着电力电子技术、计算机技术、控制技术的发展，变频器的功能、性能得到了很大的提高。
根据其性能及控制方式不同可分为：
通用型、多功能型、高性能型，其控制方式也依次为v／f（常熟控制）控制、电压型PWM控制、矢量控制等。
用户可根据生产的需要，在变频器性能规格、容量等方面进行选择。
2.1变频器种类的选择
根据负载机械的工作特点，结合对调速范围、调速精度和经济性的要求，用户可以选择不同种类的变频器来控制调速运行。
（1）通用型变频器
一般采用v／f控制方式，适用于风机、泵类负载场合。
其节能效果显著，调速范围和调速精度较低，因此成本较低。
（2）多功能通用变频器
多功能变频器主要适应工业自动化，自动仓库、升降机、搬运系统、小型CNC机床、挤压成型机、纺织及包装机械等高速、高效需求。
水泥企业一般采用通用型变频器较多，多功能通用变频器应用较少。
2.2变频器的规格和指标
随着电力电子技术、计算机技术、控制技术的发展，变频器的功能、性能得到了很大的提高。
根据其性能及控制方式不同可分为：
通用型、多功能型、高性能型，其控制方式也依次为v／f（常熟控制）控制、电压型PWM控制、矢量控制等。
用户可根据生产的需要，在变频器性能规格、容量等方面进行选择。
2.1变频器种类的选择
根据负载机械的工作特点，结合对调速范围、调速精度和经济性的要求，用户可以选择不同种类的变频器来控制调速运行。
（1）通用型变频器
一般采用v／f控制方式，适用于风机、泵类负载场合。
其节能效果显著，调速范围和调速精度较低，因此成本较低。
（2）多功能通用变频器
多功能变频器主要适应工业自动化，自动仓库、升降机、搬运系统、小型CNC机床、挤压成型机、纺织及包装机械等高速、高效需求。
水泥企业一般采用通用型变频器较多，多功能通用变频器应用较少。
2.2变频器的规格和指标
③.V／f控制，转差频率控制方式或矢量控制。
④.输出频率范围，一般最低为0.1Hz，最高频率因变频器性髓而异，该调速范围应满足用户的应用需要，同时要了解在所用系统中，在该频率范围内是否有机械共振或出现转速振荡的可能。
⑤.输出频率分辨率，设定频率的分辨率，输出频率的精度。
⑥.频率设定方式。
有自身的参数设定，电位器设定，外部（0～5V、4～20mA）设定以及上位机发送的RS－232和RS－485等信号设定。
⑦.电压／频率特性。
变频器中存有多种V／f特性，如转矩增强，平方降转矩负载节能特性等供用户选择。
⑧.载频频率。
载频频率的高低标志着输出波形的质量，早期的GTR型变频器的载频频率为1～3kHz，目前常采用IGBT，载频频率可达10～20kHz，另外还有同步调制和异步调制之分。
⑨.过载能力。
变频器所允许的过载电流以额定电流的百分数和允许时间来表示。
一般变频器的过载能力为额定电流的l50％，持续60s。
⑩.加减速时间设定。
加速、减速时间作为基本功能可分别设定。
高性能变频器还具有曲线加速，多挡加、减速时间设定以及外部控制加减速功能。
⑾.制动方式。
变频器的电气制动一般分为能耗制动或再生反馈制动。
能耗制动时不加外接制动电阻的场合制动力约为20％，加外接制动电阻时制动力可达100％。
能耗制动用于制动频率不高的场合。
从节能的角度来看，再生反馈制动是最好的方式，但是相对较为复杂，价格也较高，主要用于频繁启动、制动的场合。
⑿.运行控制方式。
变频器应具有标准的有触点控制的启动、停止、正转、反转输入功能，同时还可对停止的方式进行设定，如自由停止还是加速停止。
另外通常还具有通过参数设定或由外部信号选择多级调速运转功能。
⒀.变频器的保护。
欠压保护、过压保护、过流保护、失速保护、过热保护以及再启动功能等。
2.3变频器容量的选择
在确定系统中变频器的容量时应考虑电动机的容量、电动机的额定电流、加速时间等几方面因素。
下面就如何选定通用型变频器容量做一些简单介绍。
对于连续运行的变频器必须同时满足表3－1中所列三项要求。
注：
PM——负载要求的电动机输出功率，kW；
——电动机的效率，通常为0.85；
2.4低压变频器的选型
低压变频器指输入电源电压为单相220V和三相380V的变频器，这是水泥企业用量最大、应用最为广泛的变频器系列。
低压变频器的选型首先要考虑用途，选择通用型还是专用型，要尽量使系统的各种功能通过变频器来实现。
其次比较各厂家同类变频器的功能差别、性能价格比、售后服务，确定厂家及变频器型号。
选型时还应注意与其它电气元件的接口互联问题，要求系统结构合理紧凑。
以下以三垦公司四个系列产品的特点加以说明。
它们都采用IGBT模块或IPM作为逆变器开关器件。
（1）VFA5P系列风机水泵专用变频器
矢量控制：
采用独特的矢量运算控制，内藏PID。
学习加减速：
根据负荷自动调整适当的加减速时间，使加减速时间最短。
自动节电方式：
在保证输出转矩的前提下，比选用标准的V／f曲线节能效果更好。
电压反馈控制：
可使输出电压稳定，不随输入电压的变化而变化。
输入输出端子功能：
可在数十种功能中进行可编程设定。
瞬停再启动功能：
再启动时检测电机旋转方向和转速，平稳地再启动。
软失速功能：
可在过载时不跳闸，降低输出频率继续运转。
瞬停不停控制：
可在瞬间停电时继续维持运转l5ms以上。
状态监控；可显示l6种参数中的任意4种。
如频率、电流、电压、功率等。
模拟量输出信号：
可输出16种参数中的任意2种（频率、电流、功率等）。
PWM载载频率：
最高可达17kHz，中小功率为l2～15kHz，真正静音，输出电流波形中高次谐波含量减小，载波频率的提高对带负荷能力的影响小。
完善的保护功能：
防止过流、过压、过负荷、过热等，过载能力l20％—1min。
（2）VFA5系列—般工业通用变频器
在VFA5P的全部功能和特性基础上增加了功能和特性：
过载能力；75kW以下l50％—2min，90kW以上l50％—1min。
增加工程特殊功能：
搬运机械，升降机械，金属切削及加工机床等特殊用途的功能。
转速控制精度：
无传感器矢量控制为土1％，有传感器矢量控制为土0.5％。
频率精度：
采用纤维机械功能时频率控制精度为±0.01％，分辨率为0.01Hz。
其它功能：
模拟信号控制正反转，制动释放，直流制动，轻载时高速运转，低振动，低转矩脉动，钻头损坏预防等。
（3）VFA7系列新一代通用变频器
在VFA5基础上改进并提高的性能指标如下。
内置抗干扰滤波器：
15kW以下内置EMI（电磁干扰）抗干扰滤渡器，适应EMC（电磁兼容）指令，为CE标记对应的产品，为ISO9001及ISO14001认证产品。
输出转矩提高；在0.5Hz时可输出高达200％的转矩，转速控制范围扩展到1：
150。
转矩控制功能：
可通过转矩控制信号直接控制电机转矩，电机转速由负载转矩决定。
计算机接口：
标准RS485，RS232C，Prolibus，DeviceNet，TOSLINEF10M／S20可选。
传感器矢量控制：
可对电机的速度、转矩、位置进行高精度控制。
标准显示：
可显示30种参数中的任意一种，如频率、转速、电流、电压、功率等。
状态监控：
可显示30种参数中的任意4种，如频率、电流、电压、功率等。
输入端子：
在136种功能中任选一种，具有可编程功能。
输出端子：
在120种功能中任选一种，具有可编程功能。
控制端子公共端极性变换：
与PLC（可编程序控制器）一起使用，可进行漏极／源极和输入／输出逻辑变换。
V／f参数变换：
对最多4台电机进行V／f参数变换。
均衡功能：
在两台或以上变频器驱动同一负载时，防止负载不均衡造成变频器过载。
更完善的保护：
增加了输入输出缺相保护功能。
随着技术发展、功能日益完善，低电压变频器已经发展成比较成熟的多系列产品。
应该说，正确选择变频器是系统安全可靠稳定运行的前提。
选型不合理，使用不当，常是变频器系统故障、性能不能满足要求的主要原因。
2.5高压变频器的选型
近年来水泥行业随着电价的不断攀升，高压变频节能技术越来越受到人们的亲睐，订货数量不断增加。
本文从电压等级、拓扑结构、控制方式等几方面提出建议，供水泥企业选型时参考。
（1）电压等级
我国高压电机常用电压等级为6kV和10kV，另有少量3kV等级的高压电机。
绝大部分的高压变频器输入都有一个隔离变压器，所以变频器输入电压通常能满足不同电网电压等级的要求。
变频器的输出电压等级选择通常按照技改项目和新建项目有不同的选择原则。
对于技改项目，本来电机工频运行，由于通常不会更换电机，加装变频器后，要求变频器的输出电压和电网电压一致，通常为6kV或10kV。
对于新建项目，如果不需要工频旁路，电机电压可以配合变频器进行优化，如对于中小功率可选择2.3kV或3kV输出电压等级，以降低成本。
如果需要工频旁路，建议变频器输出电压等级和电网电压一致，否则旁路比较复杂。
（2）电压源型和电流源型
目前绝大部分的高压变频器均属于交直交型变频器，按中间直流环节所用储能元件的不同，可分为电压源型和电流源型。
目前主要的电流源型变频器为SGCT-PWM电流源型变频器。
电流源型变频器的优点是能量可以回馈电网，可以实现四象限运行。
电源侧常采用三相桥式晶闸管整流电路，输入电流的谐波较大，为了降低谐波成分，可采取多重化，有时还必须加输入滤波装置。
输入功率因数一般较低，通常要附加功率因数补偿装置。
由于不像电压源变频器，在直流环节的大滤波电容能存储较大的能量，电流源变频器对电网电压波动较为敏感，电网电压波动较大时容易停机，是个比较大的缺点。
若整流电路也采用SGCT做电流PWM控制，可以得到较低的输入电流谐波和较高的输入功率因数，并且可省去输入隔离变压器。
但PWM整流会导致变频器效率有一定程度下降。
（3）V/F控制和无速度传感器矢量控制
无速度传感器矢量控制技术能在基本不增加硬件成本的情况下，大大提高变频器的性能。
即使用在风机水泵等
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