《电力电子》2007年1期
Power Electronics | 47
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为了实现异步电动机的变压变频调速,必须具备能够
同时控制电压幅值和频率的交流电源,而电网提供的是恒
压恒频的电源,因此应该配置变压变频器,又称VVVF
(Variable Voltage Variable Frequency)装置。最早的
VVVF装置是旋转变频机组,即由直流电动机拖动交流同
步发电机构成的机组,调节直流电动机的转速就能控制交
流发电机输出的电压和频率。自从电力电子器件获得广泛
应用以后,旋转变频机组便逐渐被淘汰,并形成了一系
列通用型的静止式变压变频装置。
2.1 静止式变压变频器的主要类型
2.1.1 交-直-交和交-交变压变频器
从整体结构上看,静止式的电力电子变压变频器可分
为交-直-交和交-交两大类。
(1) 交-直-交变压变频器
交-直-交变压变频器先将工频交流电源通过整流器
变换成直流(可控电压或恒压),再通过逆变器变换成可控的
交流(只控制频率或同时控制频率和电压),如图2-1所示。
由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之
间有一个“中间直流环节”,所以又称间接式的变压变频器。
上海大学 陈伯时
具体的整流和逆变电路种类很多,当前应用最广的是
由二极管组成不控整流器和由全控型功率开关器件(P-
MOSFET,IGBT等)组成的脉宽调制(PWM)逆变器,简称
P W M变压变频器,如图2 - 2所示。
PWM变压变频器的应用之所以如此广泛,是由于它
具有如下的一系列优点:
1) 在主电路整流和逆变两个变流单元中,只有逆变
单元是可控的,采用全控型的功率开关器件,通过驱动
电压脉冲进行控制,可同时调节变频器的输出电压和频率,
结构简单,效率高。
2) 输出电压波形虽然是一系列的脉冲波,但由于采用
了恰当的P W M控制技术,正弦基波的比重较大,影响
电动机运行的低次谐波受到很大的抑制,因而转矩脉动
小,稳态性能好,调速范围宽。
3) 逆变器同时实现调压和调频,系统的动态响应不
受中间直流环节滤波器参数的影响,动态性能较高。
4) 采用不可控的二极管整流器,电源侧功率因数较
可控整流器高,且不受逆变器输出电压高低的影响。
PWM变压变频器常用的全控型功率开关器件有:P-
图2-1 交-直-交(间接)变压变频器
(接上期)
图2-2 交-直-交PWM变压变频器
C-滤波电容
交流电机变频调速讲座
Lectures on Variable Frequency Speed Control of AC Machines
第二讲 静止式变压变频器
Static VVVF Converters
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MOSFET(小容量)、IGBT(中、小容量)、GTO、IGCT、
IEGT(大、中容量)等。受到开关器件额定电压和电流的
限制,对于特大容量电机的变压变频调速仍只好采用半控
型的晶闸管(SCR),即用可控整流器调压和逆变器调频的
交-直-交变压变频器,见图2-3。
(2) 交-交变压变频器
交-交变压变频器的结构如图2-4所示,它只有一个
变换环节,把恒压恒频(CVCF)的交流电源直接变换成
VVVF的输出,因此又称直接式变压变频器。有时为了
突出其变频功能,也称作周波变换器(Cycloconverter)。
常用的交-交变压变频器输出的每一相都是一个由
正、反两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路,也
就是说,每一相都相当于一套直流可逆调速系统的反并联
可逆线路(图2-5a)。正、反两组按一定周期相互切换,
在负载上就获得交变的输出电压u0,u0的幅值决定于各
组可控整流装置的控制角α,u0的频率决定于正、反两
组整流装置的切换频率。如果控制角α一直不变,则输
出平均电压是方波,如图2-5b所示。要获得正弦波输
出,就必须在每一组整流装置导通期间不断改变其控制
角,例如,在正向组导通的半个周期中,使控制角α由
π/2(对应于平均电压u0=0)逐渐减小到0(对应于u0最大),
然后再逐渐增加到π/2(u0再变为0),如图2-6所示。当
α角按正弦规律变化时,半周中的平均输出电压即为图中
虚线所示的正弦波。对反向组负半周的控制也是这样。
交-交变压变频器虽然在结构上只有一个变换环节,
省去了中间直流环节,看似简单,但所用的器件数量却
很多,总体设备相当庞大。不过这些设备都是直流调速
系统中常用的可逆整流装置,在技术上和制造工艺上都很
成熟。
这类交-交变频器的其它缺点是:输入功率因数较低,
谐波电流含量大,频谱复杂,因此须配置滤波和无功补
偿设备。其最高输出频率不超过电网频率的1/3~1/2,
一般主要用于轧机主传动、球磨机、水泥回转窑等大容
量、低转速的调速系统。由这类变频器给低速电动机供
电进行直接传动时,可以省去庞大的齿轮减速箱。
近年来又出现了一种采用全控型开关器件的矩阵式
交-交变压变频器,采用P W M控制方式,输出电压和
输入电流的低次谐波都较小,输入功率因数可调,输出
频率不受限制,能量可双向流动,以获得四象限运行。
但当输出电压必须接近正弦波时,最大输出输入电压比一
般只有0.866,现在已有电压比更高的研究成果。
2.1.2 电压源型和电流源型逆变器
在交-直-交变压变频器中,按照中间直流环节直流
电源性质的不同,逆变器可以分成电压源型和电流源型两
类,两种类型的实际区别在于直流环节采用怎样的滤波
器。图2-7绘出了电压源型和电流源型逆变器的示意图。
在图2-7a中,直流环节采用大电容滤波,直流电压波形
比较平直,输出交流电压是矩形波或阶梯波,称为电压
源型逆变器(VSI,Voltage Source Inverter),或简称
电压型逆变器。在图2-7b中,直流环节采用大电感滤
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图2-3 可控整流器调压、逆变器调频的交-直-交变压变频器
图2-4 交-交(直接)变压变频器
a)每相可逆线路 b)方波型平均输出电压波形
图2-5 交-交变压变频器每一相的可逆线路及方波输出电压波形
图2-6 交-交变压变频器的单相正弦波输出电压波形
a)电压源型 b)电流源型
图2-7 电压源型和电流源型逆变器示意图
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波,直流电流波形比较平直,输出交流电流是矩形波或
阶梯波,叫做电流源型逆变器(CSI,Current Source
Inverter),或简称电流型逆变器。
两类逆变器的主电路虽然只有滤波环节不同,性能上
却有明显的差异,主要表现如下:
1) 能量的回馈。用电流源型逆变器给异步电动机供电
的电流型变压变频调速系统有一个显著的特征,就是容易
实现能量的回馈,从而便于四象限运行,适用于需要回
馈制动和经常正、反转的生产机械。采用电压型的交-
直-交变压变频调速系统要实现回馈制动和四象限运行却
很困难,因为其中间直流环节有大电容钳制着电压的极
性,不可能迅速反向,而电流受到器件单向导电性的制
约也不能反向,所以在原装置上无法实现回馈制动。必
须制动时,只能在直流环节中并联电阻实现能耗制动,或
者与整流器反并联一组反向的可控整流器,用以通过反向
的制动电流,而保持电压极性不变,实现回馈制动。这
样做,设备要复杂得多。
2) 动态响应。正由于交-直-交电流型变压变频调速
系统的直流电压极性可以迅速改变,所以动态响应比较快,
电压型系统采用PWM控制时也能获得较快的动态响应。
3) 应用场合。电压源型逆变器属恒压源,电压控制响
应慢,不易波动,适于做多台电动机同步运行时的供电电
源,或单台电动机调速但不要求快速起制动和快速减速的
场合。采用电流源型逆变器的系统则相反,不适用于多电
动机传动,但可以满足快速起制动和可逆运行的要求。
2.1.3 180°导通型和120°导通型逆变器
交-直-交变压变频器中的逆变器一般接成三相桥式
电路,以便输出三相交流变频电压,图2-8绘出了由6
个电力电子开关器件VT1~VT6组成的三相逆变器主电
路,图中用开关符号代表任何一种电力电子开关器件。控
制各开关器件轮流导通和关断,可使输出端得到三相交流
电压。在某一瞬间,控制一个开关器件关断,同时使另
一个器件导通,就实现了两个器件之间的换流。在三相
桥式逆变器中,有180°导通型和120°导通型两种换流
方式。
同一桥臂上、下两管之间互相换流的逆变器称作180°
导通型逆变器,例如,当VT1关断后,使VT4导通,而当
VT4关断后,又使VT1导通,其它各相亦均如此。这时,每
个开关器件在一个周期内导通的区间是180°。在180°导通
型逆变器中,除换流期间外,每一时刻总有3个开关器件同
时导通。但须注意,必须防止同一桥臂的上、下两管同时导
通,否则将造成直流电源短路,谓之“直通”。为此,在换流
时,必须采取“先断后通”的原则,即先给应该关断的器件
发出关断信号,待其关断后留有一定的时间裕量,叫做“死
区时间”,再给应该导通的器件发出开通信号。死区时间的长
短视器件的开关速度而定,为了保证安全,设置死区时间是
非常必要的,但它会增大输出电压波形的畸变。
120°导通型逆变器的换流是在同一排不同桥臂的左、
右两管之间进行的,例如,V T 1关断后使V T 3导通,
VT3关断后使VT5导通,VT4关断后使VT6导通等等。
这时,每个开关器件一次连续导通120°,在同一时刻只
有两个器件导通,如果负载电机绕组是Y联结,则只有
两相导电,另一相悬空。
2.2 通用变压变频器
现代通用变压变频器(以下简称“通用变频器”)大
都采用交-直-交电压源型180°导通的变压变频器,其
中由交流电源到恒定的中间直流电压用二极管整流器整
流,由中间直流电压到变压变频的交流输出采用全控型
开关器件IGBT或智能功率模块(IPM)组成的脉宽调制
(PWM)逆变器,它已经占据了全世界0.5~500kVA中、小
容量变频调速装置的绝大部分市场。所谓“通用”,包含
着两方面的含义:一是可以和通用的笼型异步电动机配套
使用;二是具有多种可供选择的功能,适用于各种不同性
质的负载。
图2-9绘出了通用变频器主电路的原理图(图中未画出
开关器件的吸收电路和其它辅助电路)。大电容滤波器的
中点O为逆变器提供了直流电源的中点电位,它与负载(电
动机)中性点 的电位未必是相同的,在分析负载电压波形
时必须注意。
为了减少逆变器输出电压的谐波,通用变频器的输出
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图2-8 三相桥式逆变器主电路
图2-9 通用变频器主电路原理图
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电压和频率经常采用脉宽调(PWM)控制,关于脉宽调制的
方法,将在第三讲中详细叙述。
2.3 中压大容量变压变频器
随着工业生产的发展,大功率调速设备的应用日益增
多,在交流电气传动中,相应的电动机一般都是3~10kV
的交流中压电动机,这就提出了中压大容量变频技术问
题。按照电力系统对电压等级的划分,千伏级电压属于
中压,所以这时的变频器应称作“中压变频器”,但国
内业界人士也有将它与低压380V对比,习惯称作“高压
变频器”。
从20世纪末到21世纪初,一些耐压高、电流大的
全控型器件问世,为构成中压大容量变频器的产品创造了
良好的条件。在目前常用的大功率全控型器件中,IGBT
的额定电压已达到3300V。而且已开发出两种更高电压的
器件:一种是“软穿通”的FS-IGBT(Field stop IGBT),
还有一种是“载流子增强注入”的IEGT,电压都已做到
6500V,电流达2500A,而且有的器件也已突破了并联技
术;另一方面,在GTO晶闸管的基础上形成了新的高电压
场控器件IGCT—集成门极换相晶闸管(Integrated Gate-
Commutated Thyristor),也已有4500V、4000A和6000V、
2500A的产品。
在大功率器件耐压有限时,可以先用输入变压器T1
将电压降到低压水平,接到低压变频器变频,然后再用
输出变压器T2升高电压后,给中压电动机供电,这叫做
中-低-中(或称高-低-高)变频
方案
气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载
,如图2-10所示。
这种方案的优点是,可以用低压变频器,便于实现;缺点
是,多用了两台变压器,增加了整个变频装置的成本和
占地面积,降低了变频系统的效率。随着电力电子开关
器件额定电压的提高,这种方案已很少应用。
在常用的电压源型交-直-交变频器中,有两种实现
中压的途径:一是将电力电子器件串联,以满足中压要
求,变频器结构为二电平逆变器,但需要解决由于电力
电子器件串联而引起的动、静态均压问题;二是采用多电
平逆变电路结构,可以避开器件串联问题而仍有较好的技
术性能,应用较多的是三电平变频器和逆变单元H桥级联
式多电平变频器。
2.3.1 中性点钳位型三电平逆变器
通用变频器由有正、负两极的中间直流电压给逆变器
供电,称作二电平逆变器。需要逆变器输出电压较高时,
二电平逆变器开关器件的耐压可能不够,为此研制出三电
平逆变器,这时,交流侧每相输出端从中间直流回路取
得的电压有三种电位,即正端电压P、负端电压N和中
性点零电位O。三电平逆变器有几种拓扑结构,目前应
用最广泛的是中性点钳位型三电平逆变器。
中性点钳位型(Neutral Point Clamped,NPC)型三
电平逆变器一相电路原理图如图2-11所示。其特点是,
每相桥臂由4个电力电子开关器件串联组成,每个器件都
反并联一个续流二极管,用电容分压得到的直流回路中性
点O由两个钳位二极管VD5、VD6分别接到上下桥臂开关
器件的中点,这样,每个电力电子开关器件的耐压值可降
低一半,平均每个主开关器件所承受的正向阻断电压为
Ud/2。由图可见,在三电平逆变器中,每一相需要四个主
开关器件、四个续流二极管和两个钳位二极管。
中性点钳位型逆变器主电路有3钟稳态工作模式:
(1) 工作模式1—开关器件VI1、VI2导通,VI3、VI4
关断
电流途径有两种情况:
① 电流方向为流入负载,即电流从P点经过VI1、
VI2到达输出端A。若忽略功率开关器件的正向导通管压
降,则输出端电位等同于P点电位。
② 电流从负载流出,此时电流从输出端A经过续流
二极管VD2、VD1注入P点,输出端A点电位仍等同于
P点电位。
(2) 工作模式2-VI2、VI3导通,VI1、VI4关断
① 电流流入负载,则电流从中性点O通过钳位二极
管VD5、主开关管VI2到达输出端,输出端电位等同于O
点电位。
② 电流从负载流出,从输出端流过VI3、VD6注入
图2-10 具有输入/输出变压器的中-低-中变频方案
图2-11 三电平逆变器一相电路原理图
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Power Electronics | 51
中性点,该相输出端电位仍等同于O点电位。在这种情
况下,VD5、VD6与VI2、VI3一起把输出端钳制在中性
点电位上。
(3) 工作模式3-VI3、VI4导通,VI1、VI2关断
电流途径与工作模式1相仿,使输出端A点电位等同
于N点电位。
由以上分析可见,在中性点钳位型逆变器中,主开
关管VI1和VI4不能同时导通,而VI1和VI3、VI2和VI4
的工作状态是互反的,这是三电平逆变器的基本控制规律。
三种工作模式的开关状态与每相输出电压列于表2-1。
要从一种稳态工作模式切换到另一种稳态工作模式必
然需要换流,从三电平逆变器的性质上看,是不允许P
和N两种开关状态之间直接相互切换的,只允许P→O→
N 或N →O →P的切换,这在控制中必须予以保证。
根据表2-1所示的逆变器一相桥臂开关管的工作状
态,对开关管的控制可以采用按导通时间调节触发延迟角
的单脉冲方式,也可采用脉宽调制方式。对应的A相输出
电压波形uAO=f(t)。如图2-12所示,其中图a)为单脉冲
控制方式,在一个周期内电压波形呈正、负半波对称的矩形
波,图b)为脉宽调制控制方式。对逆变器另两个桥臂开关管
的控制应使其输出端电压波形分别比uAO(t)滞后2π/3与
4π/3电角度。
在工程应用中,我们关心的是负载上的电压波形。设
逆变器三个桥臂的输出端接三相对称Y接电阻负载,中点
为O’,如图2-13所示。输出相电压为uAO’(t)、线电
压为uAB(t)。
负载中点O’与直流电源中性点O并不一定是等电
位,设其电位差为UO O’,则负载各相的相电压分别为
0 00AO Au u u¢ ¢= -
0 00BO Bu u u¢ ¢= -
0 00CO Cu u u¢ ¢= -
将三式相加,并考虑到 0 0 0 0A B Cu u u¢ ¢ ¢+ + = ,经整理
后得
00
1
( )
3 AO BO CO
u u u u¢ = + +
由此可求得A相负载相电压为
0
1
( )
3A AO AO BO CO
u u u u u¢ = - + + (2-1)
在单脉冲控制方式下,当控制角α=30°时,三相输
出端对直流电源中点O间的电压波形如图2-14所示。图中
每一相开关器件都经历了P、O、N三个开关状态。以A相
为例,在ωt=(0~π/6)区间,为O状态;在(π/6~π)
区间为P状态(VI1、VI2导通),uAO=+Ud/2;在(π~7π/
6)区间为O状态(VI2、VI3导通),uAO=0;在(7π/6~2π)
区间为N状态(VI3、VI4导通),uAO=-Ud/2。根据图2-
14的波形,可以列出在一个周期内每π/6小区间逆变器
三相桥臂所处的工作状态,亦即表示了此时的三相输出电
压值,见表2-2。
根据表2-2和式(2-1)可求出A相负载在不同区间的电压 :
表2-1 主管开关状态与每相输出电压
a)单脉冲控制方式 b)脉宽调制控制方式
图2-12 NPC逆变器输出端电压波形
图2-13 逆变器的负载
图2-14 逆变器三相输出端电压波形
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表2-2 逆变器输出端在不同区间的工作状态(α=30° )
区间0~π/6: 0
1 1 1
0 (0 ) 0
3 2 2A d d
u U U¢ = - - + =
区间π/6~2π/6: 0 1 1 1 1 1 1( )2 3 2 2 2 3A d d d d du U U U U U¢ = - - + =
区间2π/6~3π/6: 0 1 1 1 1 1( 0)2 3 2 2 2A d d d du U U U U¢ = - - + =
区间3π/6~4π/6: 0 1 1 1 1 1 2( )2 3 2 2 2 3A d d d d du U U U U U¢ = - - - =
区间4π/6~5π/6: 0 1 1 1 1 1( 0 )2 3 2 2 2A d d d du U U U U¢ = - + - =
区间5π/6~π: 0 1 1 1 1 1 1( )2 3 2 2 2 3A d d d d du U U U U U¢ = - + - =
同理可求得A相另一半周期的 0 ( )Au t¢ 以及另外两相电
压 0 ( )Bu t¢ 、 0 ( )Cu t¢ 的波形,绘于图2-15a、b、c中。A、
B相间的线电压波形uAB=f(t)(图2-15d)可由 0 0( ) ( )A Bu t u t¢ ¢-
得到。
相电压波形是由7种以直流回路电压Ud为单位的不同
电压值组成的多阶梯波,这7种电压值是
dU
3
2
±
、
dU
3
1
±
、
dU
2
1
±
、0。采用PWM控制方式时,还将有
dU
6
1
±
的阶梯
波出现。
根据输出电压波形的分析可以概括中性点钳位型三电
平(NPC)逆变器的特点如下:
(1) NPC三电平逆变器总是在P-O或O-N的状态间
切换(或反之),开关器件所承受的关断电压被限制在直流
中间回路电压的一半,因此三电平逆变器可在一定程度上
解决中压大容量变频器电力电子器件耐压不够高的问题。
采用3.3kV的IGBT组成三电平逆变器时,输出交流电压
最高可达2.3kV;采用4.5kV的IGCT时,中间直流电压
可提高到3.0~3.5kV。
(2) 二电平PWM逆变器输出的负载相电压为5种电
平,而三电平逆变器则可有7~9种电平,各级电平间的幅
值变化相对降低了,从而减少了dv/dt对电动机绝缘的冲击。
(3)二电平PWM逆变器输出的负载线电压为3种电平,
而三电平逆变器则有5种电平。当开关频率相同时,可使
输出电压波形质量有较大改善。反之,当两种逆变器输出
允许有相同的谐波含量时,三电平逆变器的开关频率可以
低一些,开关损耗也会下降。为了进一步减少谐波对电动
机的影响,一般在三电平逆变器的输出端还装有滤波器,这
样就可用普通的电动机,不需要降容使用。
(4)在NPC三电平逆变器中,采用两个容量相等的电
容分压构成中点。在空载情况下,中点电位为0,但在
有负载的情况下,当中点有电流流过时,会造成中点电
位的变化,偏离对称情况下的零电位,从而影响输出波
形的正弦度。这是三电平逆变器的一个问题,可以通过
控制或改进拓扑结构以抑制中性点电位的偏移。
2.3.2 H桥级联式多电平PWM变频器
H桥级联式多电平PWM变频器是一类电压源型变频
器,由它向kV级的中压交流电动机供电。变频器各相
都由若干个独立的功率变换单元串联组成,如图2-16所
示,图中A1、A2、⋯、B1、B2、⋯、C1、C2、⋯
分别表示串联在A、B、C三相上的功率变换单元,三相Y
接,中性点为 N。
图2-15 输出相电压与线电压波形
图2-16 H桥级联式多电平中压变频器原理图
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每个功率变换单元都是PWM控制的低压单相H桥逆
变器,如图2-17所示,这时,只需要常规耐压的功率
开关器件,就能构成中压输出的变频器。例如,若电动
机的额定电压是6kV,每相可由5个额定输出电压为690V
的功率单元串联组成,输出的总相电压额定值为690V×
5=3450V,线电压为 3 3450V´ = 5975V,接近6kV。
此时的功率单元都是低压变频器,这些功率单元应能承受
电机的额定电流,但它们只须提供1/5的电动机额定相电
压和1/15的电动机额定功率,对于6kV的电动机只需要
耐压为1700V的IGBT,而且不需要器件的串、并联。
图2-18绘出了H桥级联式多电平变频器的主电路结构
图,输入电源采用多重化移相变压器,共用一个初级绕
组,而有多个曲折接法的次级绕组,使各功率单元的电源
有不同的相位关系,形成多重化联接。例如图2-18的多
电平变频器每相有5个功率单元串联时,输入变压器的5
个次级绕组与初级绕组间的相位关系分别为超前24°、超
前12°、同相位、滞后12°和滞后24°,三相都是如
此。多重化可以改善变压器输入侧的电流波形,对电网的
图2-17 功率变换单元
图2-18 H桥级联式多电平变频器主电路结构图
谐波污染小,输入功率因数高,而且变频器和电动机在电
气上都是与交流电网隔离的。
H桥级联式多电平PWM变频器的输出电压采用多电
平移相式PWM控制,同一相中不同功率单元的PWM三
角载波互差一定的相位,以增加输出电压波形的阶梯,降
低其dv/dt,提高等效开关频率,改善输出波形,输出总谐
波电流失真基本限制在1%以内,非常接近理想的正弦波。
因此生产这类中压变频器的一些企业在广告中号称是“完
美无谐波”。图2-19给出了一台6kV多电平变频器的输出
线电压和相电流的波形。
上述优良性能对大功率变频器来说是很重要的。
除此以外,变频器的每个功率单元在结构上都是一致
的,做成同样的单元插入式结构,既便于维修,储存备
品和损坏时替换都很方便。当一个功率单元出现故障
时,还可以对该单元采取旁路措施,整个变频器仍可降
额使用,不致停车。自从20世纪末期国际上推出这种
产品以后,很快在大容量中高压风机水泵节能调速传动
中获得推广,近年来我国一些企业也相继开发出此类变
频器,据统计,国内此类大功率变频器的总销售量已达
约2000台。
由于功率单元采用二极管整流器,难以使电机有四象
限运行的功能,目前较多用于大功率风机、水泵的传动系
统。随着控制系统的改进,改用源端PWM整流器,引入
无速度传感器的矢量控制技术后,级联式多电平大容量中
压变频器正在向更高性能的领域迈进。
(未完待续)
图2-19 6kV变频器的输出线电压和相电流波形
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