电气传动的发展与现状概述

天津电气传动研究所马小亮

Ⅰ. 电气传动的发展 电气传动— 控制电动机，使机械实现期望之运动 (运动控制 )。

电气传动技术的换代取决于功率变流装置的换代，功率装置 的换代取决于功率器件及控制装置的换代。

电气传动技术发展过程中的几个时代： A. 机组变流时代 (上世纪 70年代前 )

功率装置—电动 -发电机组 (直流调速为主和少量交流变频调速 )， —控制装置 电机放大机、磁放大器。

从有级切换电阻的开环控制进步到闭环连续控制。

主要问题：设备多，效率低；电流响应慢 (>100ms)，控制精度 不高，静动态稳定性不好，转速环频带窄。

B. 汞弧整流管变流 (离子传动 )时代 (上世纪 40-70年代，主要在欧洲 )

功率装置—汞弧整流管可控整流直流传动为主和少量交 -交变频器 (CC)和负载换流电流型交 -直 -交变频器(LCI)，

—控制器 磁放大器，后期用半导体控制器。

开启电力电力静止变流；打下了移相可控整流和静止变频的技术基础，电流响应 <100ms，转速环频带展宽。

主要问题： 汞弧整流管维护麻烦，汞弧蒸汽有毒； 汞弧压降 (器件导通压降 )大，损耗大。

C. 晶闸管变流时代 (上世纪 60年代开发， 70年代起全面推广，取代机组和汞弧管变流 )

功率装置： 以电源自然换流的可控整流直流传动为主； 交 -交变频器 (CC)和负载换流电流型交 -直 -交变频器

(LCI)，至 今仍有使用； 强制换流的电压型和电流型交 -直 -交变频器，己淘汰。 控制器：模拟控制器、数字控制器。

开启半导体固体变流；电流响应 <20ms，转速环频带展宽至几 十，静动态稳定性好，已能满足高性能调速要求。

主要问题： 输入输出谐波大，移相控制导致网侧功率因数低，需要庞大的补偿及吸收装置。

D. 自关断器件变流时代

上世纪 80年代主要是大功率晶体管 BJT和可关断晶闸管 GTO， 均为电流控制器件，触发功率及阻尼电路大；从 90 年代起 IGBT

取代 BJT；从本世纪初起 IGCT取代 GTO；另外高压 IGBT模块和压接式 IGBT(称 IEGT或 PP-IGBT)问世；小功率装置有时用功率MOSFET；下代可能是碳化硅或氮化镓器件。

功率装置主要是变频装器： 主流是电压型交 -直 -交 PWM 变频器，另外还有电流型 交 -直 -交 PWM变频器和矩阵变频器 (PWM交 -交变频器 )。 控制器：数字控制器，现常用 DSP+FPGA。

实现以交流调速取代直流调速；从移相控制过渡到 PWM控制，因开关频率提高，电流响应可 <10ms ，转速环频带展宽至上

百。

Ⅱ. 变频调速现状• 低压变频器 20多年来沒有质的变化，原因—器件、拓扑及控制策略基本没变，控制器换了几代。

• 中压变频器的器件和拓扑多样化。• 矩阵变频器开始产业化，前景难料。• 变频器的应用范围扩大，重心从电机调速向新能源及电力系统转移。例如电驱动车辆和船舶，新能源发电，电力系统补偿等。

1. 低压变频器逆变器拓扑—电压型两电平 PWM ， 20多年来沒有质的变化。 (矩阵变换MC在后面专题讨论 )

发展趋势： a) 逆变器容量扩大 380-480V 110-800kW 500-690V 75-1200kW b) 推广公共直流母线 c) 三种整流单元 二极管整流单元 (DFE) PWM 整流单元 (有源前端 AFE) IGBT整流 / 回馈单元 (取代晶闸管整流 /回馈 )

IGBT整流 /回馈单元特点：• 不用 PWM，一个电源周期中每个 IGBT只导通和关断一次，在自然换流点 (a =0处 )开始导通，持续 120° 后关断 (网侧交流电源同步开关 )；

• 无 PWM和闭环调节，控制简单；• 相支路的上下两个开关的导通时间彼此错开 60° ，无“直通”可能；• 交流电源故障时，关断所有 IGBT ，二极管桥阻止逆变电流流通，从

而避免逆变颠覆发生。• 能四象限工作，进线不用 LCL滤波，且 电抗小 (4％ )；• 网侧功率因数和谐波与二极管整流相近；• 价格和性能位于 DFE和 AFE之间。

无直流贮能元件的交 -直 -交 PWM低压变频器

特点：• 无直流贮能电容或电抗，有交流进线电容；• 网侧交流电源同步开关，输入电流 120 °方波；• 负载侧 PWM，正弦输出电压，最大 =0.87输入电压；• 双向功率流，四象限运行。

2. 中压变频器中压变频器的拓扑多样化，常见的有： a. H 桥级联 (HBC) b. 中点钳位三电平 (NPC) c. 电容钳位四电平 (FC) d. SGCT电流型交 -直 -交 PWM变频器 e. 五电平变频器 f. 晶闸管负载换流电流型交 -直 - 交变频器 (LCI) g. 晶闸管交 - 交变频器 (CC) h. 矩阵变换MC 桥级联变频器 (MCBC)

其中： a和 b广泛应用； c受电容限制，容量不大； e是 a、 b和 c的发展； d器件特殊，电流型价高。 f和 g技术较老旧； h在后面专题讨论矩阵变换器时介绍。

• H桥级联变频器 (HBC)应用最广泛，但存在下列不足： 浮空整流电源数太多，常用二极管整流，不能回馈； 多绕组移相变压器结构复杂、庞大、昂贵； 直流贮能电容数量多、容量大、分散，影响可靠性。

• 三电平中点钳位变频器 (NPC)在国外应用广泛，国内不及 HBC，原因及不足：

输出电压 <6kV，不符合国标； dv/dt高，影响电机绝缘和轴电流，需使用特殊电机； 高压器件开关频率低，输出谐波大。

如何克服 HBC和 NPC的不足是当今热点话题。

H桥级联变频器的回馈

为满足某些应用对回馈要求，例如提升传动，我国某些企业把 H 桥的整流改为 PWM 整流 (AFE) 。

问题：• AFE 要求进线用 LCL滤波且 电抗大 (>10%) ，变压器漏抗 (5-6%) 不够，需增加电抗及 电容；• 3N套 PWM 整流控制麻烦。

如何简化回馈主电路及控制？

改进办法—把 IGBT 整流 / 回馈电源用于 H 桥：• 进线电抗小，变压器漏抗已满足，不用增加任何元件；• 无 PWM 和闭环调节，控制简单；• 网侧功率因数与谐波和二极管整流一样 (cos≥0.95，借助变压器副方绕组移相，网侧谐波小 )。

整流 回馈(上— 24脉波，中— 12脉波，下— 6脉波 )

5电平变频器

针对 HBC(H桥数多、复杂 )和 NPC(输出电压不满足国标、电平数少、谐波大、 dv/dt高 )的不足， 5电平变频器受

关注。 (时下热点 )

A. 二极管钳位 5电平变频器

因钳位二极管电压太高 及控制复杂，沒实用。

B. 三电平 H桥 (ACS-5000) ： IGCT 6-6.9kV 4-20MW 1Q

ABB公司针对亚洲 (主要是中国 )对 6kV的需求开发。

特点： 输出 6-6.9kv，电压等级符合国标。 4.5kV器件，器件数少，不用电解电容； 相电压 5电平，可用普通电机。 6套整流电源， 36脉波二极管整流，网侧谐波小，不能回馈。 与使用 4.5kV器件的常规两电平 H桥 2级级联 HBC相比，特点和性

能相同，但多 12支钳位二极管，无优点 。

C. 有源中点和电容混合钳位 (ACS-2000)

IGBT， 6-6.9kV， 0.4-1MVA， 1或 4Q

特点： 输出 6-6.9kv，电压等级符合国标。 相电压 5电平，可用普通电机。 同样拓扑的双 PWM变频器可以直接经进线电抗接至 6kV电网，无

变压器。 电容钳位限制容量。

D. 定子绕组打开，两套三相三电平 NPC逆变器串联

方案 1 定子绕组打开，两套隔离的三相三电平变频器串联 (西门子早期的 GTO三电平变频器曾用此方案 )

方案 2 定子绕组打开，两套公用直流母线的三相三电平逆 变器串联 ( 德国许多学者推荐此方案 )

特点：• 可以输出 6-6.9kV或 10kv，电压等级符合国标；• 相电压电平数从 3增至 5，减小谐波；• 6kV电机端的 dv/dt、共模电压及对地电压与 3kv的 NPC

相同，可以使用普通电机；• 贮能电容接在三相逆变器输入端，电容量小 (三相逆变器直流母线电流中只有开关频率谐波，无低频谐波，电容量小； H桥是单相逆变器，直流母线电流中有二倍频低频谐波，电容量大 ) ，数量少且集中；

• 等效开关频率加倍，有助于低开关频率工作；• 与 HBC相比，实现回馈容易。• 定子绕组打开不是问题，但电缆数增加。

3. 矩阵变换器MC

矩阵变频器 (MC)是一种基于全控器件 PWM调制的交 -交直接变频器，是电力电子领域最热门课题之一。

优点：一次换流，效率高； 正弦电压输出； 正弦电流输入； 网侧功率因数 =1 (与负载功率因数无关 )； 双向功率流，四象限运行； 没有庞大的直流贮能电容。 基于上述优点，MC “ ” “ ”被称为 理想变频器 及 纯硅变频器 。

除无直流贮能电容外，上述优点双 PWM交 -直 -交变频器也有。

A. 低压MC

各相输出端都通个三个双向开关 (双向电流及双向电压 )交替接至三相交流电源，共计 9个双向开关， 18个开关器件。

MC的概念由 Venturini在 1980年提出，性能理想，但产业化进程极慢， 30 多年来只有安川公司在前几年推出产品，并未广泛应用。与之竞争的双 PWM交 -直 - 交变频器早已普遍应用。 原因：

a) MC需较多开关器件 (18个 )，双 PWM只需 12个，差 50％。b) MC最大输出电压 =0.87输入电压，把它接至 380V电网，输出电压

<330V ，不能用标准电机，双 PWM可以需出 380V。c) MC换流控制麻烦 MC希望换流过程既无重迭又无间断，无法实现，需采用 4步换流或 2 步换流技术。双 PWM “ ”通过设置 死时 安全换流。

d) MC不是真的不需要贮能电容 ( “ ”不是 纯硅变频器 )，只是换了安装地点和名字，由输入滤波电容和箝位电容两部分组成。

e) MC是交 -交直接变频，没有中间直流环节及贮能电容，电网电压的拢动直接影响变频器输出。 双 PWM是交 -直 -交间接变频，有直流贮能电容，变频器输出受到电网拢动的影响小，且间接。

f) MC体积和重量比双 PWM 小 ( —原因 双 PWM的 LCL滤波大 )。

B. 低压间接矩阵变频器 (IMC)

在MC和无直流贮能元件交 -直 -交变频器基础上改型。

特点：• 无直流贮能电容，有交流进线电容；• 网侧 PWM，正弦输入电流；• 负载侧 PWM，正弦输出电压，最大 =0.87输入电压；• 双向功率流，四象限运行；• 原理和优缺点与MC类似。

C. 中压MC—MC 桥级联变频器 (MCBC)

桥式MC—由 3个共交流进线的 三相 /单相MC桥构成。 开关数量和输出电压增加一倍， 性能不变。

为输出 3.3kV， 3级桥式MC级联： 把各级桥式MC中 3个三相 /单相 MC桥的交流进线分开，分别 由 3套独立的电压幅值和相位都 相同的变压器付方绕组供电。

(IGBT电压 1700V， 桥输出电压 635V， 变频器输出电压 3.3kV)

MCBC与采用整流 / 回馈单元之 HBC(R/I-HBC)的比较：

• 二者都有优良的输入和输出特性，都能四象限工作。• 二者都基于功率单元级联，但MCBC需要较多 IGBT器件，每个MC桥需 12个 IGBT，每个 R/I-HBC桥只需 10个，差 20％，且网侧IGBT电流可减小 1/3。

• MC桥无直流贮能电容，但有交流进线“ ”滤波 电容； R/I-HBC桥有直流贮能电容 ，但无交流进线电容。 交流电容的体积 /容量比值比直流电容大许多。 二者都不需要进线电抗。• MCBC的换流及 PWM调制控制较麻烦， R/I-HBC简单。• MCBC是交 -交直接变频，没有中间直流环节及贮能电容，电网电压的拢动直接影响变频器输出。 R/I-HBC是交 -直 -交间接变频，有直流贮能电容，变频器输出受到电网拢动的影响小，且间接。