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。

　　2.2 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