在线会议
论坛
专题
工控直播
新闻中心
子站
技术
社区
图片来源：Yaskawa
了解36脉冲输入驱动拓扑结构在中压电机应用中的优势，以及中压变频器设计如何减轻谐波并提高电能质量。
泵送、压缩、吹塑、输送、挤压和混合，是变频器（VFD）的最常见工业电机应用之一。了解应用和变频器设计可以帮助缓解谐波和电能质量方面的挑战。变频器可以使电机在较宽的速度范围内以最佳效率运行，满足各种不同的扭矩要求，同时降低电机应力和启动浪涌电流。
01 非线性负载如何引发电能质量问题
当非线性负载连接到交流电源时，会出现电能质量问题。当负载的阻抗恒定时，负载被认为是线性的，电流波形遵循正弦电源电压波形。电阻加热器是线性负载的一个例子。当由60Hz正弦电压供电时，电阻加热器将产生60Hz正弦电流。因为电流是纯正弦的，所以线性负载没有高频谐波含量www.cechina.cn，也不会导致谐波电压失真。
当二极管打开和关闭时，阻抗会突然变化，所以典型典型的低压6脉冲驱动器上的二极管桥是一个非线性负载。根据欧姆定律，如果二极管在60Hz以外的频率下切换阻抗，则从电源中获得的电流波形必须跟随阻抗变化，因此电流不再遵循三相电源电压波形。由此产生的非线性电流是非正弦的。
虽然这些凌乱的非线性电流波形（图1）看起来可能是随机的，但傅里叶分析表明，这些看似不规则的波形，理论上是由无限个正弦波形组成的，这些正弦波形是60Hz基频的奇数倍。这些频率就是谐波频率。“三次谐波”是基波的三倍，即180Hz，“五次谐波”则是基波的五倍，即300Hz，以此类推。
▲图1：给出了3个6脉冲电流波形：常用、有电抗器和理想情况。
欧姆定律表明，电源压降是电流的函数。非线性电流的高频谐波分量，会导致非线性电压降和相应的电压波形失真。
02 二极管电桥允许电流单向流动
二极管是只允许电流沿一个方向流动的半导体器件。当每个二极管两端的正向电压为正时，二极管导通电流。当电压非正时，二极管停止导通并断开电路。二极管的布置确保当三相电源电压从正到负交替时，直流母线端子处的电势始终为正。
随着负载的增加，绝缘栅双极晶体管（IGBT）将从总线中获取更多的能量，这将导致总线电压相对于电源降低控制工程网版权所有，充电电流增加。加载时，在每个周期中，6脉冲驱动器将经历6个充电脉冲。
图2显示了L1电压为正时的充电电流。当L1导通到L2时，出现第一个电流峰，当L1导通到L3时，出现第二个电流峰。为了清楚起见，仅展示了受L1影响的电流。包括从L2到L3和从L3到L2的充电电流，在每个60Hz的电循环中www.cechina.cn，总共发生6次充电事件，这就是“6脉冲”驱动。
▲图2：非线性充电电流：当L1导通到L2时，出现第一个电流峰，当L1导通到L3时，出现第二个电流峰。
03 电能质量、谐波和非线性负载
如果不采取适当的缓解措施，非线性负载应用可能会导致配电系统的可靠性问题。向电力系统添加大的线性负载（如电阻加热器）将产生线性电压降。正弦电源电压的幅值将减小，但仍然保持正弦形状。
增加一个非线性负载（其电流需求为非正弦变化）会在电力系统上产生一个非正弦电压降，从而使电源电压波形失真。电源电压的失真会影响连接到电源的每台设备。特别是，线路连接的电机依赖于清洁的正弦波源。电源电压失真会对系统中所有线路连接电机的运行速度和扭矩特性产生负面影响，并导致电机发热增加和效率降低。
非线性波形由大量谐波频率组成。波形失真得越多，谐波频率的幅度就越大。谐波电流不会到达电机，也不会产生机械动力。谐波电流在电源和驱动器之间流动，会增加电源的整体电流负载CONTROL ENGINEERING China版权所有，还会增加电源变压器以及电源和驱动器间所有接线的I2R损耗。
IEEE 519提供了一种量化总谐波失真（THD）影响的方法，并建立了可接受性的阈值。THD定义为谐波电流的均方根与基波电流的比值。换句话说，它是不需要的电流（不起作用）与所需电流（产生机械扭矩）的比率。
04 谐波滤波及其工作原理
线路电抗器通常用于低压驱动应用，以平滑电流波形。线路电抗器是串联安装在电源和驱动器之间的三相电感器。电感器是通过存储和释放能量来最小化电流波动的组件，本质上是从峰值中削除能量以填充谷值。电抗器能有效减少电流失真（以及由此产生的电压失真）；然而控制工程网版权所有，它们不能消除谐波失真。滤波后的波形更接近于理想的正弦波，但仍然是非线性的。在设计时将线路电抗器加入到驱动系统时，必须考虑电抗器的额外成本、电压降、热损失、物理尺寸和重量。
05 中压36脉冲驱动拓扑
对于大型电机应用（超过250HP），多脉冲中压驱动提供了一种替代驱动拓扑，通过防止形成高度失真的电流波形，最大限度地减少谐波失真对电源的影响，从而提高电能质量。
▲图3：接线图中显示了 36 脉冲变频器拓扑。
36脉冲中压变频器使用具有6个隔离三相次级线圈的隔离变压器。每个次级线圈都进行相移，产生了18相的输出波形。每个相移次级电源为驱动电源单元供电。在6脉冲拓扑中，为每个三相输入波形生成两个脉冲。每个电源相位上的电流波形类似于图4中失真的、像“兔子耳朵”的波形。
▲图4：6脉冲电流波形（3个电压波形）：在6脉冲拓扑中，每个3相输入波形产生两个脉冲。
每个电源相位上的电流波形类似于失真的”兔子耳朵”波形。
同样的原理也适用于36脉冲拓扑。18相电压输入波形中的每一个波形，都会产生两个总线充电脉冲，每个周期总共36个脉冲。每个周期有更多的脉冲，允许电流在整个电周期中更均匀、更连续地传输。电源则是36个次级充电波形的总和。求和后，36个”兔子耳朵”次级电流波形产生了近乎正弦的电源电流波形。
36脉冲拓扑结构确保当一个二极管接通时，阻抗的变化被另一个二极管关断所抵消，从而可以有效地使整体驱动阻抗保持恒定。驱动负载几乎呈线性，正弦电流波形跟随正弦电源电压。
对谐波电流失真情况的测量，可以客观评估36脉冲系统提供的相对线性度。如果没有额外的滤波或调解，36脉冲变频器的电流失真百分比可以很好地落在IEEE-519规定的限制范围内。
▲图5：36个脉冲电流波形（18个电压波形）：求和后，36个“兔子耳朵”
次级电流波形产生近似正弦的电源电流波形。
06 设备故障风险更低，谐波应力更小
具有36脉冲拓扑的中压变频器提供了所有变频器共有的优点，同时可以减少电源上的谐波应力，并最大限度地降低设备故障或因谐波引起的电压失真而造成损坏的风险。
▲图6:在没有额外滤波或调解的情况下，安川36脉冲驱动的电流失真
百分比完全在IEEE-519规定的限值范围内。
对于高功率应用，选择36脉冲变频器可提供符合IEEE 519标准的解决方案，而无需购买和安装额外的输入滤波器。由于谐波影响在设施内是累积的，因此考虑远低于失真极限的多脉冲驱动器，可以帮助补偿具有边际谐波特性的传统设备，并提高设施的整体电能质量。
关键概念：
■ 审查变频器的基本原理以及如何工作，以了解非线性负载如何导致电能质量问题。
■ 中压36脉冲驱动拓扑可以通过减少谐波应力来降低设备故障风险。
思考一下：
您的变频器是否能够减少谐波、提高电机的电能质量和寿命？
.jpg)
电机与变频驱动故障排除白皮书免费下载.jpg)
每个联接都经得起时间考验-Moxa有奖调查.jpg)
AVEVA InTouch Unlimited试用版下载
2024年度最佳产品奖颁奖典礼会后报道
2024全球自动化和制造主题峰会会后报道
