【儀表網 行業科普】了解多電平輸出驅動拓撲在中壓電機應用中的優勢。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。
在大多數工業電機應用中，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最佳效率，滿足各種不同的扭矩要求，同時降低電機應力和啟動電流。
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用速度和扭矩需求的變化而變化。當跨線啟動時，460V、60Hz電機只能在公用事業提供的電壓和頻率下運行。變頻器可以不斷調整輸出電壓和頻率，從而克服這一限制，進而匹配應用負載的最佳運行工況。
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(公用電源)流向右側(電機)。二極管電橋將三相公用事業電源從交流電(AC)轉換為直流電(DC)。直流母線充當電池。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(公用電源)流向右側(電機)。
三級驅動拓撲有一個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(每秒數千次)接通和關斷的開關。變頻器無法產生與公用事業電源匹配的、真正的模擬正弦波輸出。然而，通過使用脈寬調制(PWM)，變頻器會產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。當被電機繞組的電感平滑時，產生的電機電流近似為正弦曲線。
▲圖2：通過使用脈寬調制(PWM)，變頻器產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光開關。調光開關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
當變頻器可以安裝在電機附近(50米以內)時，通常不需要進一步考慮。電機電纜的電感和電容特性取決于長度。當電纜長度較短時，電纜電感和電纜電容通常足夠小，對系統的影響可以忽略不計。
在某些應用中，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，可能高達驅動輸出處峰值電壓值的兩倍。如果不采取額外的預防措施，反射波產生的高壓應力，可能會超過電纜或電機絕緣系統的額定值，導致絕緣擊穿以及隨后的電機或電纜故障。
NEMA MG-1第四節第31部分要求與變頻器一起使用的電機或“逆變器負載”電機設計，有能夠承受電源額定峰值(Vpeak=√2*VRMS)兩倍的絕緣系統(加上10%的裕量)，以解決電壓尖峰的風險問題。在應用變頻器時，重要的是要確保指定的電機絕緣系統不僅適合于公用線路電源，還應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載電抗器、dV/dt濾波器或正弦波濾波器。在驅動輸出端增加電感，會增加每個脈沖的上升時間，從而產生更平滑的波形，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動系統的整體成本、重量和占地面積，帶來電壓降，產生額外的熱量，并降低系統的整體效率。
03 級聯多電平中壓變頻器
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電壓反射風險的有效策略，特別是在需要較長的電機電纜的應用中。
同樣的緩解策略也可以適用于更大的變頻器應用。然而，對于250HP以上的應用，考慮使用多電平中壓驅動拓撲在經濟上變得越來越可行。通過多電平驅動輸出，變頻器可以產生近乎正弦的輸出波形，在源端消除反射電壓應力的風險。
大多數多級變頻器所用的構建塊，與典型低壓變頻器的基本構建塊(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拓撲，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，而不是打開和關閉單個直流母線電壓。當級聯瀑布流過一系列小步時，級聯驅動拓撲允許輸出電壓逐漸變小，而不是從全開到全關(如圖2所示)。
▲圖2：通過使用脈寬調制(PWM)，變頻器產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級輸出驅動拓撲，由12條獨立的直流母線和48個級聯IGBT組成。每個級聯的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級輸出驅動拓撲，具有12個存儲能量的獨立直流母線和48個級聯的IGBT。
每個級聯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:多級驅動輸出波形平滑，接近正弦曲線。平滑的級聯輸出波形，
解決了大多數低壓驅動拓撲所面臨的反射波電壓應力挑戰。
平滑的級聯輸出波形從本質上解決了大多數低壓驅動拓撲所面臨的反射波電壓應力挑戰。在來源處消除高振幅開關脈沖，無需添加昂貴的濾波器來防止輸出處的反射波現象。平滑的17級輸出波形降低了電壓應力，延長了電纜和電機絕緣系統的使用壽命。
04 考慮超長電纜系統的諧振因素
值得注意的是，在驅動系統中潛在的有害電壓應力中，反射波現象并不是唯一來源。當振蕩力與系統的固有頻率同步時，就會發生共振。
舉一個例子：當孩子在秋千上隨機擺動腿時，會導致秋千以非常小的幅度擺動。當小腿“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的能量中，從而逐漸增加每次擺動的幅度。在達到最大振幅后(鏈條松弛)，如果繼續泵送，則泵送動作的共振將會導致系統變得不穩定。
在電機電纜非常長(通常超過300米)的應用中，還必須考慮電纜系統的電諧振。現代電壓源型變頻器通過每秒數千次打開和關閉IGBT來調制輸出電壓。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。當電纜長度小于300米時，諧振頻率通常遠高于驅動載波頻率，幾乎不會產生激勵風險。隨著電纜長度的增加，電纜諧振頻率降低。當電纜頻率和開關頻率相等時，可能會感應出高達峰值電壓幅度5倍的破壞性諧振電壓。
對于使用超長電纜的應用，應完成對變頻器和電纜特性的研究，以評估潛在風險并確定合適的正弦波輸出濾波器，以防止共振。
05 降低絕緣擊穿的風險
對于電機引線較長的應用，級聯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致絕緣擊穿的風險。
對于使用具有標準絕緣系統(設計用于在60Hz線路電源上運行)的傳統電機應用，級聯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力的情況下，將系統改裝為變頻控制。
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