【儀表網(wǎng) 產(chǎn)業(yè)報道】了解36脈沖輸入驅(qū)動拓撲結(jié)構(gòu)在中壓電機應(yīng)用中的優(yōu)勢，以及中壓變頻器設(shè)計如何減輕諧波并提高電能質(zhì)量。
 

　　泵送、壓縮、吹塑、輸送、擠壓和混合，是變頻器(VFD)的最常見工業(yè)電機應(yīng)用之一。了解應(yīng)用和變頻器設(shè)計可以幫助緩解諧波和電能質(zhì)量方面的挑戰(zhàn)。變頻器可以使電機在較寬的速度范圍內(nèi)以最佳效率運行，滿足各種不同的扭矩要求，同時降低電機應(yīng)力和啟動浪涌電流。
 

　　01  非線性負載如何引發(fā)電能質(zhì)量問題
 

　　當非線性負載連接到交流電源時，會出現(xiàn)電能質(zhì)量問題。當負載的阻抗恒定時，負載被認為是線性的，電流波形遵循正弦電源電壓波形。電阻加熱器是線性負載的一個例子。當由60Hz正弦電壓供電時，電阻加熱器將產(chǎn)生60Hz正弦電流。因為電流是純正弦的，所以線性負載沒有高頻諧波含量，也不會導(dǎo)致諧波電壓失真。
 

　　當二極管打開和關(guān)閉時，阻抗會突然變化，所以典型典型的低壓6脈沖驅(qū)動器上的二極管橋是一個非線性負載。根據(jù)歐姆定律，如果二極管在60Hz以外的頻率下切換阻抗，則從電源中獲得的電流波形必須跟隨阻抗變化，因此電流不再遵循三相電源電壓波形。由此產(chǎn)生的非線性電流是非正弦的。
 

　　雖然這些凌亂的非線性電流波形(圖1)看起來可能是隨機的，但傅里葉分析表明，這些看似不規(guī)則的波形，理論上是由無限個正弦波形組成的，這些正弦波形是60Hz基頻的奇數(shù)倍。這些頻率就是諧波頻率。“三次諧波”是基波的三倍，即180Hz，“五次諧波”則是基波的五倍，即300Hz，以此類推。
 

▲圖1：給出了3個6脈沖電流波形：常用、有電抗器和理想情況。
 

　　歐姆定律表明，電源壓降是電流的函數(shù)。非線性電流的高頻諧波分量，會導(dǎo)致非線性電壓降和相應(yīng)的電壓波形失真。
 

　　02  二極管電橋允許電流單向流動
 

　　二極管是只允許電流沿一個方向流動的半導(dǎo)體器件。當每個二極管兩端的正向電壓為正時，二極管導(dǎo)通電流。當電壓非正時，二極管停止導(dǎo)通并斷開電路。二極管的布置確保當三相電源電壓從正到負交替時，直流母線端子處的電勢始終為正。
 

　　隨著負載的增加，絕緣柵雙極晶體管(IGBT)將從總線中獲取更多的能量，這將導(dǎo)致總線電壓相對于電源降低，充電電流增加。加載時，在每個周期中，6脈沖驅(qū)動器將經(jīng)歷6個充電脈沖。
 

　　圖2顯示了L1電壓為正時的充電電流。當L1導(dǎo)通到L2時，出現(xiàn)第一個電流峰，當L1導(dǎo)通到L3時，出現(xiàn)第二個電流峰。為了清楚起見，僅展示了受L1影響的電流。包括從L2到L3和從L3到L2的充電電流，在每個60Hz的電循環(huán)中，總共發(fā)生6次充電事件，這就是“6脈沖”驅(qū)動。
 

　　▲圖2：非線性充電電流：當L1導(dǎo)通到L2時，出現(xiàn)第一個電流峰，當L1導(dǎo)通到L3時，出現(xiàn)第二個電流峰。
 

　　03  電能質(zhì)量、諧波和非線性負載
 

　　如果不采取適當?shù)木徑獯胧?，非線性負載應(yīng)用可能會導(dǎo)致配電系統(tǒng)的可靠性問題。向電力系統(tǒng)添加大的線性負載(如電阻加熱器)將產(chǎn)生線性電壓降。正弦電源電壓的幅值將減小，但仍然保持正弦形狀。
 

　　增加一個非線性負載(其電流需求為非正弦變化)會在電力系統(tǒng)上產(chǎn)生一個非正弦電壓降，從而使電源電壓波形失真。電源電壓的失真會影響連接到電源的每臺設(shè)備。特別是，線路連接的電機依賴于清潔的正弦波源。電源電壓失真會對系統(tǒng)中所有線路連接電機的運行速度和扭矩特性產(chǎn)生負面影響，并導(dǎo)致電機發(fā)熱增加和效率降低。
 

　　非線性波形由大量諧波頻率組成。波形失真得越多，諧波頻率的幅度就越大。諧波電流不會到達電機，也不會產(chǎn)生機械動力。諧波電流在電源和驅(qū)動器之間流動，會增加電源的整體電流負載，還會增加電源變壓器以及電源和驅(qū)動器間所有接線的I2R損耗。
 

　　IEEE 519提供了一種量化總諧波失真(THD)影響的方法，并建立了可接受性的閾值。THD定義為諧波電流的均方根與基波電流的比值。換句話說，它是不需要的電流(不起作用)與所需電流(產(chǎn)生機械扭矩)的比率。
 

　　04  諧波濾波及其工作原理
 

　　線路電抗器通常用于低壓驅(qū)動應(yīng)用，以平滑電流波形。線路電抗器是串聯(lián)安裝在電源和驅(qū)動器之間的三相電感器。電感器是通過存儲和釋放能量來最小化電流波動的組件，本質(zhì)上是從峰值中削除能量以填充谷值。電抗器能有效減少電流失真(以及由此產(chǎn)生的電壓失真)；然而，它們不能消除諧波失真。濾波后的波形更接近于理想的正弦波，但仍然是非線性的。在設(shè)計時將線路電抗器加入到驅(qū)動系統(tǒng)時，必須考慮電抗器的額外成本、電壓降、熱損失、物理尺寸和重量。
 

　　05  中壓36脈沖驅(qū)動拓撲
 

　　對于大型電機應(yīng)用(超過250HP)，多脈沖中壓驅(qū)動提供了一種替代驅(qū)動拓撲，通過防止形成高度失真的電流波形，最大限度地減少諧波失真對電源的影響，從而提高電能質(zhì)量。
 

▲圖3：接線圖中顯示了 36 脈沖變頻器拓撲。
 

　　36脈沖中壓變頻器使用具有6個隔離三相次級線圈的隔離變壓器。每個次級線圈都進行相移，產(chǎn)生了18相的輸出波形。每個相移次級電源為驅(qū)動電源單元供電。在6脈沖拓撲中，為每個三相輸入波形生成兩個脈沖。每個電源相位上的電流波形類似于圖4中失真的、像“兔子耳朵”的波形。
 

　　▲圖4：6脈沖電流波形(3個電壓波形)：在6脈沖拓撲中，每個3相輸入波形產(chǎn)生兩個脈沖。
 

　　每個電源相位上的電流波形類似于失真的”兔子耳朵”波形。
 

　　同樣的原理也適用于36脈沖拓撲。18相電壓輸入波形中的每一個波形，都會產(chǎn)生兩個總線充電脈沖，每個周期總共36個脈沖。每個周期有更多的脈沖，允許電流在整個電周期中更均勻、更連續(xù)地傳輸。電源則是36個次級充電波形的總和。求和后，36個”兔子耳朵”次級電流波形產(chǎn)生了近乎正弦的電源電流波形。
 

　　36脈沖拓撲結(jié)構(gòu)確保當一個二極管接通時，阻抗的變化被另一個二極管關(guān)斷所抵消，從而可以有效地使整體驅(qū)動阻抗保持恒定。驅(qū)動負載幾乎呈線性，正弦電流波形跟隨正弦電源電壓。
 

　　對諧波電流失真情況的測量，可以客觀評估36脈沖系統(tǒng)提供的相對線性度。如果沒有額外的濾波或調(diào)解，36脈沖變頻器的電流失真百分比可以很好地落在IEEE-519規(guī)定的限制范圍內(nèi)。
 

▲圖5：36個脈沖電流波形(18個電壓波形)：求和后，36個“兔子耳朵”
 

　　次級電流波形產(chǎn)生近似正弦的電源電流波形。
 

　　06  設(shè)備故障風(fēng)險更低，諧波應(yīng)力更小
 

　　具有36脈沖拓撲的中壓變頻器提供了所有變頻器共有的優(yōu)點，同時可以減少電源上的諧波應(yīng)力，并最大限度地降低設(shè)備故障或因諧波引起的電壓失真而造成損壞的風(fēng)險。
 

▲圖6:在沒有額外濾波或調(diào)解的情況下，安川36脈沖驅(qū)動的電流失真
 

　　百分比完全在IEEE-519規(guī)定的限值范圍內(nèi)。
 

　　對于高功率應(yīng)用，選擇36脈沖變頻器可提供符合IEEE 519標準的解決方案，而無需購買和安裝額外的輸入濾波器。由于諧波影響在設(shè)施內(nèi)是累積的，因此考慮遠低于失真極限的多脈沖驅(qū)動器，可以幫助補償具有邊際諧波特性的傳統(tǒng)設(shè)備，并提高設(shè)施的整體電能質(zhì)量。