【儀表網(wǎng) 產(chǎn)業(yè)報(bào)道】了解36脈沖輸入驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在中壓電機(jī)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)，以及中壓變頻器設(shè)計(jì)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(jiàn)工業(yè)電機(jī)應(yīng)用之一。了解應(yīng)用和變頻器設(shè)計(jì)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(jī)在較寬的速度范圍內(nèi)以最佳效率運(yùn)行，滿足各種不同的扭矩要求，同時(shí)降低電機(jī)應(yīng)力和啟動(dòng)浪涌電流。
 

　　01  非線性負(fù)載如何引發(fā)電能質(zhì)量問(wèn)題
 

　　當(dāng)非線性負(fù)載連接到交流電源時(shí)，會(huì)出現(xiàn)電能質(zhì)量問(wèn)題。當(dāng)負(fù)載的阻抗恒定時(shí)，負(fù)載被認(rèn)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(fù)載的一個(gè)例子。當(dāng)由60Hz正弦電壓供電時(shí)，電阻加熱器將產(chǎn)生60Hz正弦電流。因?yàn)殡娏魇羌冋业?，所以線性負(fù)載沒(méi)有高頻諧波含量，也不會(huì)導(dǎo)致諧波電壓失真。
 

　　當(dāng)二極管打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)，阻抗會(huì)突然變化，所以典型典型的低壓6脈沖驅(qū)動(dòng)器上的二極管橋是一個(gè)非線性負(fù)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(lái)可能是隨機(jī)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(wú)限個(gè)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(gè)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(huì)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(dòng)
 

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

　　隨著負(fù)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(duì)于電源降低，充電電流增加。加載時(shí)，在每個(gè)周期中，6脈沖驅(qū)動(dòng)器將經(jīng)歷6個(gè)充電脈沖。
 

　　圖2顯示了L1電壓為正時(shí)的充電電流。當(dāng)L1導(dǎo)通到L2時(shí)，出現(xiàn)第一個(gè)電流峰，當(dāng)L1導(dǎo)通到L3時(shí)，出現(xiàn)第二個(gè)電流峰。為了清楚起見(jiàn)，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(gè)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(dòng)。
 

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

　　03  電能質(zhì)量、諧波和非線性負(fù)載
 

　　如果不采取適當(dāng)?shù)木徑獯胧?，非線性負(fù)載應(yīng)用可能會(huì)導(dǎo)致配電系統(tǒng)的可靠性問(wèn)題。向電力系統(tǒng)添加大的線性負(fù)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(gè)非線性負(fù)載(其電流需求為非正弦變化)會(huì)在電力系統(tǒng)上產(chǎn)生一個(gè)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(huì)影響連接到電源的每臺(tái)設(shè)備。特別是，線路連接的電機(jī)依賴于清潔的正弦波源。電源電壓失真會(huì)對(duì)系統(tǒng)中所有線路連接電機(jī)的運(yùn)行速度和扭矩特性產(chǎn)生負(fù)面影響，并導(dǎo)致電機(jī)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(huì)到達(dá)電機(jī)，也不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械動(dòng)力。諧波電流在電源和驅(qū)動(dòng)器之間流動(dòng)，會(huì)增加電源的整體電流負(fù)載，還會(huì)增加電源變壓器以及電源和驅(qū)動(dòng)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(shuō)，它是不需要的電流(不起作用)與所需電流(產(chǎn)生機(jī)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(dòng)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(dòng)器之間的三相電感器。電感器是通過(guò)存儲(chǔ)和釋放能量來(lái)最小化電流波動(dòng)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(jì)時(shí)將線路電抗器加入到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，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(dòng)拓?fù)?/strong>