变频器的谐波管理——矩阵驱动技术

谐波滤波器是管理变频器谐波的常用方法，但采用矩阵驱动技术可以在没有增加外围设备和成本的情况下为用户增加效益。

由于出色的控制能力和效率， 变频器（VFD）主要用于驱动电动机。然而，大多数传统变频器会非线性地吸收电流，这是其功率转换过程的一部分，并且所产生的失真电流波形意味着存在高次谐波。谐波会导致上游电气设备发热、降低功率因数、降低效率并产生电压谐波，这可能会导致IEEE519 中相关问题的出现。

输入谐波滤波器是通过捕获谐波以将电源与变频器的非线性电流消耗隔离来解决谐波的常用方法。将设备添加到系统中，会增加成本和空间并降低效率。滤波器的替代方案是矩阵驱动技术，它可以在不添加外围设备的情况下降低谐波。以下6个方面是采用矩阵驱动技术的潜在收益。

第

1

则

测试谐波

低输入电流谐波性能是使用矩阵技术进行功率转换的关键优势。在操作电机时，电流从低谐波电平的线路中引出。通常情况下，矩阵驱动器的运行其谐波要低于变频器输入端总谐波失真（THD）的5％。输入滤波器可减轻传统变频器产生的谐波。矩阵驱动在整个负载曲线中的谐波，始终低于带有谐波滤波器的变频器的谐波。

通常情况下，矩阵驱动器的运行，其谐波要低于变频器输入端总谐波失真（THD）5 ％。本文图片来源：安川。

第

2

则

测试效率

谐波滤波器需要额外的设备和布线以保持低谐波。结果是，与矩阵驱动相比，整个负载范围内的效率更低，而矩阵驱动器确保低输入电流谐波，效率接近98％，并在整个工作范围内保持运行效率。

第

3

则

测试无功功率

除了效率较低外，输入谐波滤波器还需要大电容才能保持低谐波电流性能。大电容意味着更高的无功电流，其在线路和滤波器之间循环会导致额外的损耗并降低系统效率。公用事业公司通常按照千伏安（kVA）使用量来收费。大量无功功率会使千伏安（kVA）大大增加，导致公用事业费用高于实际功率（kW）需求。

小型输入滤波器将电源与变频器的交流-交流电源输出隔离，并将再生波形转换回干净的正弦波，以节省可能浪费的能量。在拖动电机时，变频器从电源吸收低谐波电流，无需谐波滤波器。

滤波器需要为多个设备进行额外的布线，这些设备需要安装在保护罩内或更大的面板内。

第

4

则

再生

双向绝缘栅双极晶体管（IGBT）开关将交流输入功率连接到交流输出功率，因此可以自动将再生能量输送到电路上。当这种情况发生时，电压通常被重定向到同一电源上的其它负载，这意味着从电力公司获得的电力更少，从而降低了公用电力消耗和公用事业费用。

输入谐波滤波器可减轻输入电流谐波，但无法再生。对于使用谐波滤波器的再生，需要额外的组件来耗散或再生由应用产生的能量。没有它们，在电动机运行期间可能会发生不希望的驱动故障。

第

5

则

复杂性

矩阵驱动器的电源接线和电源监控，只需要一个简单的三线输入和三线输出。滤波器需要为这些滤波器的多个设备进行额外的布线，这些设备需要安装在保护罩内或更大的面板内。除了拖动电机所需的变频器接线和面板外，还需要滤波器相关的接线和设备。

第

6

则

无跳闸，无故障运行

输入谐波滤波器设计需要大量电容以维持低谐波。这种大电容意味着更高的无功电流和更高的千伏安（kVA）需求，这会降低效率并增加运行成本。这些滤波器还会升高升压。当变频器未运行电机或在轻负载条件下运行时，输入滤波器电路将提升线路电压以提高变频器的直流总线电压，从而导致过压状况。这种情况可能导致故障或妨碍运行。

增加的设备可以克服电压提升的影响。接触器可以在空闲和低速运行期间隔离电容器，解决变频器上的高直流总线电压和过压跳闸问题，但可能会阻碍轻负载时的低谐波操作。矩阵驱动器提供无跳闸的操作。

滤波器是管理变频器谐波的一种有效方法；但是，滤波器增加了设备、安装空间和时间、以及布线等成本。矩阵驱动技术可以消除低谐波电流，实现电机再生，并简化安装、启动和操作。

- 完 -

本文来自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2019年05月刊《技术进展》栏目，原标题为：变频器的谐波管理

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