【儀表網(wǎng) 行業(yè)科普】了解多電平輸出驅(qū)動拓?fù)湓谥袎弘姍C應(yīng)用中的優(yōu)勢。如何提高電機絕緣可靠性，以及選擇變頻器時需要考慮哪些因素。
在大多數(shù)工業(yè)電機應(yīng)用中，包括泵送、壓縮、吹塑、輸送、擠壓和攪拌等，變頻器(VFD)都很常見。在60Hz的公用電源上跨線啟動運行時，電機的速度和扭矩只能圍繞在額定值附近一個非常窄的窗口，才能維持高效運行。變頻器允許電機在較寬的速度范圍下運行以實現(xiàn)最佳效率，滿足各種不同的扭矩要求，同時降低電機應(yīng)力和啟動電流。
01 變頻器的基本原理
對于每臺電機，最佳電壓和頻率會隨著應(yīng)用速度和扭矩需求的變化而變化。當(dāng)跨線啟動時，460V、60Hz電機只能在公用事業(yè)提供的電壓和頻率下運行。變頻器可以不斷調(diào)整輸出電壓和頻率，從而克服這一限制，進(jìn)而匹配應(yīng)用負(fù)載的最佳運行工況。
最常見的低壓(通常是小于1000V)變頻器由三部分組成。圖1中，電源從左側(cè)(公用電源)流向右側(cè)(電機)。二極管電橋?qū)⑷喙檬聵I(yè)電源從交流電(AC)轉(zhuǎn)換為直流電(DC)。直流母線充當(dāng)電池。母線存儲從二極管橋接收的能量，在必要時將能量傳遞給逆變器部分。
▲圖1：最常見的低壓變頻器由三部分組成。電源從左側(cè)(公用電源)流向右側(cè)(電機)。
三級驅(qū)動拓?fù)溆幸粋€直流母線和六個絕緣柵雙極晶體管。
逆變器IGBT(絕緣柵雙極晶體管)是以非常高的速度(每秒數(shù)千次)接通和關(guān)斷的開關(guān)。變頻器無法產(chǎn)生與公用事業(yè)電源匹配的、真正的模擬正弦波輸出。然而，通過使用脈寬調(diào)制(PWM)，變頻器會產(chǎn)生一系列短脈沖和長脈沖，平均起來它們就代表正弦波電壓波形，如圖2所示。當(dāng)被電機繞組的電感平滑時，產(chǎn)生的電機電流近似為正弦曲線。
▲圖2：通過使用脈寬調(diào)制(PWM)，變頻器產(chǎn)生一系列短脈沖和長脈沖，
平均后，這些脈沖代表了該三級變頻器輸出的正弦波電壓波形。
在原理上，這有點類似于使用帶有白熾燈泡的調(diào)光開關(guān)。調(diào)光開關(guān)實際上并沒有降低燈泡的峰值電壓，它只是足夠快地打開和關(guān)閉燈泡，以至于無法感知到脈沖，并且平均照度會降低。
02 電機絕緣可靠性考慮因素：反射波
當(dāng)變頻器可以安裝在電機附近(50米以內(nèi))時，通常不需要進(jìn)一步考慮。電機電纜的電感和電容特性取決于長度。當(dāng)電纜長度較短時，電纜電感和電纜電容通常足夠小，對系統(tǒng)的影響可以忽略不計。
在某些應(yīng)用中，無法將變頻器安裝在電機附近。隨著電纜長度的增加，電纜的電感和電容特性變得越來越重要。當(dāng)電機電纜上傳播的高頻PWM脈沖被電機繞組的不同阻抗反射時，產(chǎn)生的電壓反射將與輸入脈沖相加。電機處電壓反射的幅度，可能高達(dá)驅(qū)動輸出處峰值電壓值的兩倍。如果不采取額外的預(yù)防措施，反射波產(chǎn)生的高壓應(yīng)力，可能會超過電纜或電機絕緣系統(tǒng)的額定值，導(dǎo)致絕緣擊穿以及隨后的電機或電纜故障。
NEMA MG-1第四節(jié)第31部分要求與變頻器一起使用的電機或“逆變器負(fù)載”電機設(shè)計，有能夠承受電源額定峰值(Vpeak=√2*VRMS)兩倍的絕緣系統(tǒng)(加上10%的裕量)，以解決電壓尖峰的風(fēng)險問題。在應(yīng)用變頻器時，重要的是要確保指定的電機絕緣系統(tǒng)不僅適合于公用線路電源，還應(yīng)適合與變頻器一起使用。
另一種常見的解決方案，是在變頻器的輸出端使用負(fù)載電抗器、dV/dt濾波器或正弦波濾波器。在驅(qū)動輸出端增加電感，會增加每個脈沖的上升時間，從而產(chǎn)生更平滑的波形，并減少電機處的波反射幅度。雖然可以有效地減少電壓尖峰，但添加輸出濾波器會增加驅(qū)動系統(tǒng)的整體成本、重量和占地面積，帶來電壓降，產(chǎn)生額外的熱量，并降低系統(tǒng)的整體效率。
03 級聯(lián)多電平中壓變頻器
對于使用低壓變頻器的250HP以下的電機，提高絕緣額定值以及配置輸出濾波器，是降低電機絕緣系統(tǒng)電壓反射風(fēng)險的有效策略，特別是在需要較長的電機電纜的應(yīng)用中。
同樣的緩解策略也可以適用于更大的變頻器應(yīng)用。然而，對于250HP以上的應(yīng)用，考慮使用多電平中壓驅(qū)動拓?fù)湓诮?jīng)濟上變得越來越可行。通過多電平驅(qū)動輸出，變頻器可以產(chǎn)生近乎正弦的輸出波形，在源端消除反射電壓應(yīng)力的風(fēng)險。
大多數(shù)多級變頻器所用的構(gòu)建塊，與典型低壓變頻器的基本構(gòu)建塊(二極管橋、電容器總線和輸出IGBT)相同。多電平變頻器使用級聯(lián)拓?fù)?，其中來自多個電容器直流母線的電壓以一系列較小的步長相加，而不是打開和關(guān)閉單個直流母線電壓。當(dāng)級聯(lián)瀑布流過一系列小步時，級聯(lián)驅(qū)動拓?fù)湓试S輸出電壓逐漸變小，而不是從全開到全關(guān)(如圖2所示)。
▲圖2：通過使用脈寬調(diào)制(PWM)，變頻器產(chǎn)生一系列短脈沖和長脈沖，
平均后，這些脈沖代表了該三級變頻器輸出的正弦波電壓波形。
圖3所示的17級輸出驅(qū)動拓?fù)洌?2條獨立的直流母線和48個級聯(lián)IGBT組成。每個級聯(lián)的IGBT都只切換全輸出電壓的一小部分，而不是切換全輸出電壓。圖4所示的輸出電壓波形平滑，接近正弦曲線。
▲圖3:圖中所示的17級輸出驅(qū)動拓?fù)?，具?2個存儲能量的獨立直流母線和48個級聯(lián)的IGBT。
每個級聯(lián)IGBT只切換全輸出電壓的一小部分，而不是切換全輸出電壓。
▲圖4:多級驅(qū)動輸出波形平滑，接近正弦曲線。平滑的級聯(lián)輸出波形，
解決了大多數(shù)低壓驅(qū)動拓?fù)渌媾R的反射波電壓應(yīng)力挑戰(zhàn)。
平滑的級聯(lián)輸出波形從本質(zhì)上解決了大多數(shù)低壓驅(qū)動拓?fù)渌媾R的反射波電壓應(yīng)力挑戰(zhàn)。在來源處消除高振幅開關(guān)脈沖，無需添加昂貴的濾波器來防止輸出處的反射波現(xiàn)象。平滑的17級輸出波形降低了電壓應(yīng)力，延長了電纜和電機絕緣系統(tǒng)的使用壽命。
04 考慮超長電纜系統(tǒng)的諧振因素
值得注意的是，在驅(qū)動系統(tǒng)中潛在的有害電壓應(yīng)力中，反射波現(xiàn)象并不是唯一來源。當(dāng)振蕩力與系統(tǒng)的固有頻率同步時，就會發(fā)生共振。
舉一個例子：當(dāng)孩子在秋千上隨機擺動腿時，會導(dǎo)致秋千以非常小的幅度擺動。當(dāng)小腿“泵送”力的頻率與擺動振蕩的頻率同步時，每個較小的力都會匯入到系統(tǒng)的能量中，從而逐漸增加每次擺動的幅度。在達(dá)到最大振幅后(鏈條松弛)，如果繼續(xù)泵送，則泵送動作的共振將會導(dǎo)致系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。
在電機電纜非常長(通常超過300米)的應(yīng)用中，還必須考慮電纜系統(tǒng)的電諧振。現(xiàn)代電壓源型變頻器通過每秒數(shù)千次打開和關(guān)閉IGBT來調(diào)制輸出電壓。該載波頻率通常以千赫茲表示(例如，4kHz=每秒4000個周期)。任何電纜的電感和電容特性的組合都具有獨特的諧振頻率。當(dāng)電纜長度小于300米時，諧振頻率通常遠(yuǎn)高于驅(qū)動載波頻率，幾乎不會產(chǎn)生激勵風(fēng)險。隨著電纜長度的增加，電纜諧振頻率降低。當(dāng)電纜頻率和開關(guān)頻率相等時，可能會感應(yīng)出高達(dá)峰值電壓幅度5倍的破壞性諧振電壓。
對于使用超長電纜的應(yīng)用，應(yīng)完成對變頻器和電纜特性的研究，以評估潛在風(fēng)險并確定合適的正弦波輸出濾波器，以防止共振。
05 降低絕緣擊穿的風(fēng)險
對于電機引線較長的應(yīng)用，級聯(lián)多電平中壓變頻器具有一般變頻器都有的所有好處，同時降低了反射波電壓尖峰導(dǎo)致絕緣擊穿的風(fēng)險。
對于使用具有標(biāo)準(zhǔn)絕緣系統(tǒng)(設(shè)計用于在60Hz線路電源上運行)的傳統(tǒng)電機應(yīng)用，級聯(lián)多電平中壓變頻器提供了一種可靠的選擇，可以在不引入額外電壓應(yīng)力的情況下，將系統(tǒng)改裝為變頻控制。
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