变频传动系统在运载工具的电力系统中的应用

在海上和水下运载器中，交流电机占有统治地位。因此主要的焦点都集中于交流电机上，特别是在变频传动系统上^［28］。在这种传动中，改变电机的输入频率可以控制传动速度，还可以根据由交流电机特性确定的输出频率调整输出电压，从而得到足够的转矩。变频传动系统由海上和水下运载器的主直流总线供电。这类运载器在功率变换系统和配电系统中有各种类型的逆变器，它们可以分为以下几类。

图8-17 海上和水下运载器中电压源逆变器的应用

8.7.5.1 变压逆变器（Variable Voltage Inverters，VVI）/电压源逆变器（Voltage Source Inverter，VSI）

电压源逆变器（VSI）通常用于海上和水下运载器的中小功率应用中，它们在15％～200％电机运行速度范围内都可以高效地运行^［29］。如图8-17所示，电压源逆变器从类似直流斩波器的可变电压源取电，然后根据电机的要求调整电压和频率。变压逆变器（VVI）也叫做6阶梯波逆变器，控制电压由单独频率发生器给定。变压逆变器中有6个固体开关器件及配套的6个二极管。通过一定的控制可以使这6个固体开关产生每相6阶的电压波形。改变每个开关的导通时间可以改变输出电压的波形。

图8-18 电压源逆变器的输出

变压逆变器是最经济和最简单的可调频传动，但它的输出波形很差，如图8-18所示。此外，它的功率因数会随着速度和负载下降。它需要的滤波器也比其他逆变器要大。因此，为了在海上和水下运载器的蒸馏泵和通风扇等应用中得到较高的功率因数，变压逆变器需要运行在特定的速度范围内。

8.7.5.2 电流源逆变器（Current Source Inverter，CSI）

CSI的运行如图8-19所示。它非常像6阶梯波可变电压逆变器，只不过它的固体开关器件产生的是每相6阶的电流波形，而不是图8-20中的电压波形。其电流是通过逆变器输入侧的大电感来控制，而电压是根据电机的需求来调整。这种逆变器一般采用磁滞控制。

图8-19 海上和水下运载器中电流源逆变器的应用

与电压源逆变器相比，电流源逆变器有许多优点。其输出级有短路保护，控制电路简单，工作效率高。电流源逆变器能控制电流，因而可有效地用于变转矩应用中。但是它也有缺点，其滤波电感体积大，整流器复杂，没有开路保护。

电流源逆变器可用于中等功率和大功率的应用中，如海上和水下运载器电气负载中的泵、风扇和压缩机，这些场合的转矩要求是变化的^［30］。这种负载的转矩和速度的三次方成正比（T∝n³）。因此电流源逆变器适合用于海上和水下运载器的消防泵和压缩机。此外，由于它有再发电能力，当用于如起重机和绞车一类用于检修的负载时，可以向交流电力系统馈送功率，对电池充电。

8.7.5.3 负载换流逆变器（Load Commutated Inverter，LCI）(www.xing528.com)

LCI属于电流源逆变器。它被用来控制海上和水下运载器空调系统中的鼓风机和大风扇，这些场合采用功率在400～600马力之间的同步电机^［31］。如图8-21所示，LCI通过增大或减小励磁电流，利用同步电机的功率因数控制能力实现功率开关器件（如晶闸管）的换流。在转矩脉动不是首要关注因素时，用LCI驱动异步电机较电压源逆变器有性价比优势。

图8-20 电流源逆变器的输出

图8-21 海上和水下运载器中LCI的应用

当这种逆变器工作在标准的6阶梯波模式时，它为电机提供开关谐波在容许范围内的三相线电流。它使电机转子位置和线电流频率及相位同步。在全控模式时，LCI通过传感器监视端电压，再发出逆变器触发信号来同步转子位置^［32］。因此它能补偿由电枢反应引起的相位超前。我们只需知道线电流频率和过零点信息就可以使LCI高效地运行，既简单又可靠。

电流源逆变器、电压源逆变器和负载换流逆变器都采用了脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）控制^［33］。根据具体应用的需要，它有多种类型，如正弦PWM，含三次谐波注入的正弦PWM和空间矢量调制。

8.7.5.4 脉宽调制（PWM）逆变器

PWM逆变器是海上和水下运载器中最常用的逆变器之一，常用于功率在5000kW左右的各种应用。如图8-22所示，PWM逆变器采用固体开关器件产生一系列宽度变化、电压恒定的脉冲，从而得到交流输出。改变定时和脉冲数量可以改变输出频率。PWM逆变器常用于海上和水下运载器的制冷机、空调、导航和雷达系统的电机上。

图8-22 海上和水下运载器中PWM逆变器的应用

PWM逆变器的速度参考指令通常由数字信号处理器（DSP）或微控制器发出，同时它们还能优化载波频率和逆变器输出频率，以保持额定速度下较高的频率和适当的电压频率比。因此，当负载为额定负载时，在整个速度范围内都可以获得较高的功率因数。但是PWM逆变器的畸变比电压源逆变器严重，它工作在较高频率时会对电机绝缘系统产生不良影响，如图8-23所示。

图8-23 PWM逆变器的输出