当然,衡量逆变器对电网的谐波污染应是根据网侧电流的谐波大小来说明。由前面的叙述可以看出,这种高压变频器的输入端一定要有一个变压器,其原绕组直接联到电网的高电压输入端,而副绕组必须有15个,每相5个副绕组。在保证各相互差120°的前提下,还要保证每相中各电压胞的电流输出的相位偏差。因为已假定逆变器三相电压的输出是完全对称的,只是互差120°,此处仅以一相的电压输出来说明。从某种意义上来讲,每相中的5个电压胞的输出电流都互差一定的角度,在稳定运行情况下,对直流中间电路的直流电流而言,基本上可以用恒定值表示,换言之,该相中所涉及到的5个绕组的电流都是均匀分配的。当然,每个绕组中都含有一定的谐波。为使5个绕组产生的谐波电流通过电磁叠加,并耦合到原绕组的电流谐波能够相互抵消,从理论上来讲,应使5个绕组的相位互差360°/5,即为72°。这样可以使用5次谐波及5的倍数次谐波抵消,但这样会产生一定的共模电压。但是,变压器的连接方式不可能得到这样的移相效果,但可以通过不同的Y-△变换,将原副绕组连成0°,±120°以及±240°这5种方式,这样可基本达到抵消谐波的目的。若从另外一个角度考虑,由于每相中5个副绕组电流所产生的电磁叠加,已经使很多的谐波磁通都已相互抵消了,真正耦合到原边的谐波已是非常小了。如果说从矢量图的角度来进行分析,同样可以得到这个结论。
若每个电压胞的输出电压为690V,则叠加后的输出相电压为3450V,对应的线电压为6000V.类似地,若要求输出更高的电压,其解决的措施有两种途径,一种是仍维持电压胞的输出电压不变,增加电压胞的个数;另外一种解决措施是维持电压胞的个数不变,但提高电压胞的输出电压。第一种方法用在高电压小电流的情况,但它要求具有更多的副绕组;第二种方法是用在高电压大电流的情况,不需增加副绕组的个数,相对而言,输出的谐波要大一些。
4变频器的输出波形分析
在下述的分析中,均假定电压胞的输出电压无偶次和无奇次谐波分量存在。此时,某一电压胞的PWM输出电压波形如图5所示,对于不同相只是相差120°。逆变器输出电压波形为40Hz,每相5个电压胞的输出电压的相角均依次顺序后移16.5°,波形的输出采用同步PWM的调制技术,频率调制比取35,幅值调制比取0.7.可明显看出,合成输出电压的波形明显优于单个PWM输出电压的波形。合成输出电压基本上没什么谐波存在,而通过dixiplot数字仿真软件包对每个电压胞的输出波形进行频谱分析可知,电压胞输出电压的频谱中含有较为丰富的各次谐波分量。其中,35次谐波为基波幅值的66%(因mf=35),3次谐波为基波幅值的25%以上;反之,合成输出电压频谱的3次谐波仅占基波分量的10%强一点,其它谐波的幅值所占基波分量数额就更小了。事实上在不同输出电压频率的情况下,通过调节各电压胞叠加的移相角,可以使合成输出电压的谐波输出更小,也可以有意识地针对某次谐波进行抑制处理,即实行优化的谐波控制输出,以保证电源质量。另外,这种合成输出电压的dv/dt变化率基本上为单个PWM输出的1/5,这对于高压变频调速来讲是特别重要的。这样的合成方法还可以有效地控制共模电压的产生。若将这种变频器直接用于交流感应电动机,一般没有必要使电机的绝缘等级降档使用。
5结论
综上所述,对于高压变频调速而言,即便以后可能会出现承受高电压的半导体开关元件,但最好还是采用合成的方法来实现高压变频调速,这不但可有效地抑制共模电压和dv/dt的不利影响,同时,还可有效地控制谐波的幅值。甚至可完全控制某些不利谐波的出现,也便于各种控制方法的实现。这种方法的不利一面是,所需的功率半导体器件较多,某一电压胞单元出了问题,可能影响逆变器的工作。要解决这个问题,可采用有效的保护措施。
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