【儀表網 產業報道】了解36脈沖輸入驅動拓撲結構在中壓電機應用中的優勢，以及中壓變頻器設計如何減輕諧波并提高電能質量。
泵送、壓縮、吹塑、輸送、擠壓和混合，是變頻器(VFD)的最常見工業電機應用之一。了解應用和變頻器設計可以幫助緩解諧波和電能質量方面的挑戰。變頻器可以使電機在較寬的速度范圍內以最佳效率運行，滿足各種不同的扭矩要求，同時降低電機應力和啟動浪涌電流。
01 非線性負載如何引發電能質量問題
當非線性負載連接到交流電源時，會出現電能質量問題。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，也不會導致諧波電壓失真。
當二極管打開和關閉時，阻抗會突然變化，所以典型典型的低壓6脈沖驅動器上的二極管橋是一個非線性負載。根據歐姆定律，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。非線性電流的高頻諧波分量，會導致非線性電壓降和相應的電壓波形失真。
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體器件。當每個二極管兩端的正向電壓為正時，二極管導通電流。當電壓非正時，二極管停止導通并斷開電路。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脈沖驅動器將經歷6個充電脈沖。
圖2顯示了L1電壓為正時的充電電流。當L1導通到L2時，出現第一個電流峰，當L1導通到L3時，出現第二個電流峰。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的電循環中，總共發生6次充電事件，這就是“6脈沖”驅動。
▲圖2：非線性充電電流：當L1導通到L2時，出現第一個電流峰，當L1導通到L3時，出現第二個電流峰。
03 電能質量、諧波和非線性負載
如果不采取適當的緩解措施，非線性負載應用可能會導致配電系統的可靠性問題。向電力系統添加大的線性負載(如電阻加熱器)將產生線性電壓降。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)會在電力系統上產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中所有線路連接電機的運行速度和扭矩特性產生負面影響，并導致電機發熱增加和效率降低。
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，也不會產生機械動力。諧波電流在電源和驅動器之間流動，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動應用，以平滑電流波形。線路電抗器是串聯安裝在電源和驅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。在設計時將線路電抗器加入到驅動系統時，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脈沖驅動拓撲
對于大型電機應用(超過250HP)，多脈沖中壓驅動提供了一種替代驅動拓撲，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，產生了18相的輸出波形。每個相移次級電源為驅動電源單元供電。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”次級電流波形產生了近乎正弦的電源電流波形。
36脈沖拓撲結構確保當一個二極管接通時，阻抗的變化被另一個二極管關斷所抵消，從而可以有效地使整體驅動阻抗保持恒定。驅動負載幾乎呈線性，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脈沖系統提供的相對線性度。如果沒有額外的濾波或調解，36脈沖變頻器的電流失真百分比可以很好地落在IEEE-519規定的限制范圍內。
▲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”
次級電流波形產生近似正弦的電源電流波形。
06 設備故障風險更低，諧波應力更小
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點，同時可以減少電源上的諧波應力，并最大限度地降低設備故障或因諧波引起的電壓失真而造成損壞的風險。
▲圖6:在沒有額外濾波或調解的情況下，安川36脈沖驅動的電流失真
百分比完全在IEEE-519規定的限值范圍內。
對于高功率應用，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。由于諧波影響在設施內是累積的，因此考慮遠低于失真極限的多脈沖驅動器，可以幫助補償具有邊際諧波特性的傳統設備，并提高設施的整體電能質量。
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