浅析电压型和电流型高压变频器

本文介绍了电压型和电流型高压变频器的概念,分析了两种高压变频器的功率器件和主电路结构,以及各项性能指标和适用范围上的差异。通过分析可知,电压型变频器无论在经济上还是技术上都比电流型变频器具有明显的优势。

第43卷第11期2009年11月

电力电子技术

PowerElectronics

Vol.43No.11November，2009

浅析电压型和电流型高压变频器

文

斌

（贵州吉荣安全评价有限公司，贵州贵阳550001）

摘要：介绍了电压型和电流型高压变频器的概念，分析了两种高压变频器的功率器件和主电路结构，以及各项性能指

标和适用范围上的差异。通过分析可知，电压型变频器无论在经济上还是技术上都比电流型变频器具有明显的优势。

关键词：变频器；器件；性能中图分类号：TN77

文献标识码：A

文章编号：1000-100X（2009）11-0064-02

AnalysisofVoltage-sourceandCurrent-sourceHigh-voltageInverter

WENBin

（GuizhouJi-RongSecurityAppraisalCo.，Ltd.，Guiyang550001，China）

Abstract：Theconceptofvoltagetransducerandcurrenttransducerareintroduced.Thepowerdevicesandtopologycircuitsof

thetwotypeshigh-voltagetransducersisanalyzed，meanwhile，thedifferencesofpropertiesandapplicationscopesarepre-sented.Theanalysisshowsthatthevoltage-sourceinverterissuperiortocurrent-sourceinvertertechnicallyandeconomically.Keywords：inverter；device；property

1引言

电机是工业生产中主要的耗电设备，而高压大功率电机的应用更为突出。这些设备大部分都存在很大的节能潜力。所以大力发展高压大功率变频调速技术具有时代的必要性和迫切性。由于高压大功率变频调速技术的日益成熟，原来一直难解决的高压问题，近年来通过器件串联或单元串联得到了很

高压变频器的种类层出不穷，其应用领域好的解决。

和范围也越来越广泛，这为工矿企业高效、合理地利用能源（尤其是电能）提供了先决条件。不同的高压变频器的电路拓扑方案具有不同的技术水平。该水平决定了变频器和传动系统的稳定性、可靠性以及使用寿命、维护费用、性价比等重要指标。因此，了解不同种类高压变频器的技术水平，可以在选择变频

节能回报率高的效果。器时达到投入少、

AC/AC变频器和有直流环节的变频器，即AC/DC/

其中直流环节采用大电感以平抑电AC变频器两类。

流脉动的变频器称为电流源型变频器；采用大电容抑制电压波动的变频器称为电压源型变频器。电流源型变频器分为负载换向式（晶闸管）变频器（LCI）和采用自关断器件（的变频器。电压GTO或SGCT）

源型变频器可分为功率器件串联二电平直接高压变频器、采用IGCT或HV-IGBT的三电平变频器和采用LV-IGBT的单元串联多电平变频器。各类高压变频器的示意图如图1所示。

图1各类高压变频器的示意图

3电流型与电压型变频器比较

2高压变频器的概念

按照国际惯例和我国标准对电压等级的划分，供电电压大于等于10kV为高压，1~10kV为中压。通常习惯将额定电压为6kV或3kV的电机称为“高压电机”。由于额定电压1~10kV的变频器拥有共同的特征，因此将驱动1~10kV交流电动机的变频器称为高压变频器。高压变频器不像一般的变频器那样具有成熟的、一致性的主电路拓扑结构。由于功率器件的电压耐量与高压使用条件之间存在矛盾，高压变频器采用了不同的功率器件和主电路结构，因而在各项性能指标和适用范围也存在不同。

高压变频器可分为：无直流环节的变频器，即

3.1AC/DC/AC变频器的分类

图2示出可四象限运行的IGBT直接串联高压变频器电路结构。

图2IGBT直接串联高压变频器电路

根据AC/DC/AC变频器直流端滤波器的型式，可将逆变电路分为电压型和电流型两类。电压型高压变

频器是在逆变器的直流供电输入端并联有大电容，一方面可抑制直流电压的脉动，减少直流电源内阻，使其近似为恒压源；另一方面为来自逆变器侧的无功电流提供导通路径，因此，将其称为电压型逆变电路。

本文介绍了电压型和电流型高压变频器的概念,分析了两种高压变频器的功率器件和主电路结构,以及各项性能指标和适用范围上的差异。通过分析可知,电压型变频器无论在经济上还是技术上都比电流型变频器具有明显的优势。

另一类是在逆变器直流供电侧串联大电感，使直流电源近似为恒流源，该电路为电流型逆变电路。电路中串联的电感用以抑制直流电流的脉动，但输出特性软

。LCI变频器主电路结构图如图3所示。

图3LCI变频器主电路结构图

3.2电压型变频器与电流型变频器的特点与区别

直流回路的滤波环节电压型逆变器的直流（1）

滤波环节主要采用大电容，因此电源阻抗小，相当于电压源。电流型逆变器的直流滤波环节主要采用大电感，相当于恒流源。

输出波形电压型逆变器输出的电压波形是（2）

SPWM高频矩形载波，其电流波形在感性负载时近似于正弦波，含有部分高次谐波分量，在输入端采用简易滤波装置，便可使输出波形的谐波含量满足国家的标准。电流型变频器输出的电流波形是一个交变矩形波，其输出的电压波形接近于正弦波，含有丰富的高次谐波分量，易使电机发热，一般使用时都要选用进口的特制电机。当输入谐波含量较高时，需采用巨大、笨重的滤波器，方能使用。

四象限运行由于在电流型逆变器直流供电（3）

侧串联大电感，在维持电流方向不变的情况下，晶闸管整流桥可以改变电压极性，因此很容易使逆变器运行在整流状态，从而使整流桥处于逆变状态，实现

四象限运行。电压型高压变频器只有二电平采用

可四象限运行。IGBT整流回馈，

动态性能电流型逆变器有大电感，（电流动4）

态响应较慢，动态力矩跟不上，特性软；电压型逆变器采用电流反馈环控制，响应速度快，适应现代控制理论。在速度开环的条件下，可高速、高精度地控制电机的磁通力矩，使电机特性可柔、可刚，动态性能好。

过流及短路保护电流型逆变器因回路中串（5）

联大电感，能抑制短路等故障时电流的上升率，故容易实现过流和短路保护。一般的电压型逆变器实现过流和短路保护较为困难，只有二电平电压型高压变频器设有直流电感，可抑制di/dt的上升速率，易实现过流保护和短路保护。

对功率开关管的要求电压型逆变器中的功（6）

率开关管要求关断时间短，但耐压要求较低；而电流型逆变器中的开关管对关断时间无严格要求，但耐压要求相对较高。

综上所述，电流源型高压变频器是由功率器件直接串联并在线路中串联大电感构成的，但由于需要两个电感，使开关管截止时所承受的电压比电压

该方式虽然使用功率器件少、易于控制电型高得多。

流，但是未真正解决高功率压器件的串联问题。这是因为即使功率器件出现故障，由于大电感的限流作用，功率器件虽不易损坏，但会严重di/dt受到限制，

导致功率因数低，并且电流源型高压变频污染电网、

器对电网电压及电机负载的变化敏感，无法做成真

就经济和技术而言，电压型高压变正的通用型产品。

频器比电流型高压变频器具有更广泛的应用前景。分析和仿真结果证明了LCL滤波器的优越性。LCL滤波器造成的谐振以及其他不足之处，还需要在今后的研究中进一步改进。

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图5LCL滤波前后输出电流傅里叶分析

4结论

图6

实验波形

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分析了太阳能光伏并网中LCL滤波器的参数

设计，根据输出电流的要求、干扰信号的频率范围、谐振频率以及电感尺寸等来确定滤波器的参数。由

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