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福禄克测量力证:使用低
成本驱动器未必经济

福禄克测量力证:使用低 成本驱动器未必经济

  • 内容摘要:如果需 要更换老式的机电式电机启动器,低马力 可调速驱动器可谓不错的选择。毕竟,与电机启动器相比,驱动器具有诸多优势,比如不 会产生浪涌电流和开关瞬态电流, 位移功率因数

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详细描述

如果需 要更换老式的机电式电机启动器,低马力 可调速驱动器可谓不错的选择。毕竟,与电机启动器相比,驱动器具有诸多优势,比如不 会产生浪涌电流和开关瞬态电流, 位移功率因数高等等,而且价格不贵。实际上,我们可 以预测将来有一天固态驱动器会替代许多(即使不是绝大部分)机械式启动器,就像可 编程逻辑控制器取代机械式继电器一样。

但是需要注意的是,小马力驱动器,尤其低 成本产品存在一定的成本和故障风险。

随着发展,驱动器 的尺寸越来越小,而且设 计功率却越来越大,现在它 的大小已经与机械式启动器不相上下。

散热问 题一直是降低驱动器设计尺寸的主要障碍,驱动器 要首先将正弦信号转换成直流信号,然后将 直流信号储存在电容器组内(即电路的直流部分),接着逆 变器将直流信号转换成脉宽调制信号――即变成合成交流信号。 热量主 要在这一过程产生,但是新 型驱动器一般采用一种名为绝缘门式双极晶体管(IGBT)的半导 体器件完成该转换过程。现在IGBT的载流能力越来越大,并且其 开关速度也越来越快(100-200 左右),开关速度越快,效率越高(理想的 开关开启不需要时间, 为什么呢?原因是 如果不考虑非常小的半导体压降的话,开关处 于开或关状态时将不会消耗能量。)开关只 有在从关到开或从开倒关的转换过程中才会消耗能量即产生热量。开关速度越快,产生的热量越少,效率就越高,从而降 低了散热装置和风扇的尺寸,进而降 低了驱动器的尺寸。
福禄克示波器运用

一、优点

除了节能外,驱动器 在促进配电系统的稳定性和稳健性方面还有其他诸多好处。

1、驱动器没有浪涌电流,通常限 定为额定电流的110。电机启 动时浪涌电流过大会导致电机误动作,还能导致电压陡降,从而干扰其他负载。而驱动器则采用"软启动"方式,使电机在20-30秒的时 间内逐步加速到既定速度。

2、由于驱 动器具有较高的位移功率因数,因而不 需要使用功率因数矫正电容器。

3、驱动器 会隔离电机关闭时引起的开关瞬态电流(尖波),通常它会在20-30秒的时 间内逐渐地使电机转速降下来,当电机最终关闭时,其转速 和电流已经变得非常低,即使产 生较小的尖波也会很容易地被驱动器自身的直流回路部分吸收。

4、驱动器 具有可变成电机控制、保护甚至通信功能,远超过 机械式启动器所提供的接触器、动作单元和辅助触点。例如,驱动器 可通过变成改变电机转向,因而不 需要再另外使用接触器。

5、在单相系统中,驱动器 运行将单相电机换成更加耐用达到三相电气,因为可调速驱动器(VSD)能够将 接收的单相电压在负载(电机)侧变成 三相电压信号输出。换句话说,它能够 将单相电压变成三相电压。 但是,驱动器 对于配电系统而后电机本身既有正面影响,也有负面影响。 谐波和电机-驱动器 之间的兼容性等问题对于小型和大型驱动器而言基本一样,所不同 的是小型驱动器与大型、较昂贵 的驱动器相比不太为人们所注意,VSD越大,谐波越多,例如,对于250马力的驱动器,人们通 常都会注意通过工程手段降低谐波,而对于5马力的 驱动器却不太注意。尽管从 经济和对操作的影响方面来讲这样做无可厚非,但是有 时候我们也需要仔细地分析小马力驱动器。


二、缺点

在单相系统内,驱动器会产生3次或者5次谐波。而在采用四线制(三相线加中性线)的商用建筑内,驱动器 会导致共用中性线内的3次谐波电流增加,因而中 性线电缆的尺寸要比馈电电缆大一倍. 因而,由于小 型驱动器对于总谐波负载会产生影响,线路测 量时应该使用真有效值仪表以提高测量的准确性,尤其在 进行电流测量时。当谐波存在时,平均值 响应电流表的读数要降低40%之多。

在三相系统内,驱动器 产生的谐波主要是5次谐波,而5次谐波属于负序谐波:它会生 成反向转矩使电机反向转动。虽然5次谐波 不会影响驱动器自身的 电机或 者其他采用驱动器控制的电机,但是它 会影响直接启动的机械式启动器。

尽管在 大得多的基频电流的作用下电机仍然会正向转动,但是在5次谐波 的作用下电机会发热,从而最 终导致转子绝缘发生损坏。如果驱 动器与直接启动式电机(例如在 电机控制中心内)共用一条母线,则可能会损坏电机。请注意,5次谐波 对于上游配电系统几乎不会产生影响(即在上 游不会引起电压畸变,因为此 时谐波电流与总电流比较大小可以忽略。但是,由于在 本地电源阻抗最大,因而多 个低马力驱动器集合起来足以导致本地公共连接点(PCC)产生电压畸变,从而影响共同使用该PCC的电机负载。
三相VSD的非线
性电流会导致电源系统内掺入谐波
三相VSD的非线 性电流会导致电源系统内掺入谐波

抵御谐 波的第一道防线应该在驱动器本身。许多驱 动器的直流回路内都带有电抗器线圈,又叫直流回路电感器,该线圈 的作用是降低驱动器电源侧的电流畸变,它还能 防止驱动器出现瞬态过电压(主要是 电容器开关瞬态电压),从而防 止直流回路因过电压导致直流过电压跳闸故障。

在一些 低成本的驱动器内,为了削减成本,厂家取 消了电抗器线圈,使得驱动器变成了"谐波发生器",当它与 直接连接式电机安装在同一条母线上时问题尤其严重。此时可 以通过安装输入线电抗器或隔离变压器来解决这个问题。

可是,即使购 买带有电感器的驱动器也不能保证不会发生问题。当很多 驱动器安装于同一条母线上时,它们会 共同产生足够的谐波失真从而触发问题的产生。此时,如果像 大功率驱动器那样安装无源滤波器来过滤5次和7次谐波可能不会奏效,原因是 小的负载的动态性非常强,即负载 处于不断变化的状态,单靠一 个无源滤波器不会起到的减弱作用。这时候 可以使用有源滤波器来跟踪谐波电流,并且生 成相同谐波和振幅的异相对抗电流来抵销原来的谐波。有源滤 波器对于谐波电流不断变化的动态负载尤其有效。


三、电机兼容性

VSD还存在 电机兼容性问题,尤其在 老式电机上使用时。IGBT的高速 开关和电缆长度较长时会引起过电压反射(又被称 为驻波电压或峰峰或电晕电压),此时电 压峰值是直流回路电压的两到三倍。许多驱 动器厂家会规定电缆的长度不得超过100英尺,但是有时候100英尺也太长,从而击 穿电机头几个绕组的绝缘,使转子 绝缘过早地损坏。这种现象在PWM输出的大、小功率 驱动器比较常见。但是低成本、低马力 的电机尤为脆弱,因为为 了降低生产成本,它们的 转子绕组的绕制具有随意性,使它们 易于收到过电压反射的破坏。曾经有 一段时间采用低通滤波器――通常置 于驱动器的输出端――来解决这个问题,但是,近年来,为了防止过电压反射,变频器 专用电机的设计耐压等级达到1500 V(关于变 频器电机的相关规定请参考《NEMA MG-1, Section IV, Part 31》标准),许多驱 动器厂商现在要求此类电机使用它们自己生产的驱动器。

如果您遇到VSD谐波方面的问题,首先需 要测量配电系统的关键点,以确定谐波的大小。 利用手 持式电力质量分析仪可以很容易地测量波形的谐波失真和各谐波的大小,过电压 波形可通过示波器或部分具有示波器公牛队电力质量分析仪进行观察。


总结:

作为机 电启动器的替代品,小马力 交流驱动器的使用日益普及。与大马力驱动器一样,它们具 有传统技术所不具有的优势。但是,它们也 存在与大型驱动器系统的应用和测量问题,例如谐 波和过电压反射。

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