在这篇文章中,我们对再生驱动操作(也称为“有源前端”或“AFE”)进行了介绍性概述,涵盖了基本原理和要求。
再生驱动运行
基本交流变频器不可再生,这意味着它们无法将能量返回到电源。交流电机和逆变器本身具有再生能力,但驱动器的输入整流器则不具有再生能力。如果应用导致机械能返回电机,且功率超过电机损耗,则通常必须安装制动电阻器来吸收和耗散不需要的能量。如果没有它,返回的能量会导致直流电压升高,直到保护跳闸停止运行以防止损坏。
有时希望避免使用制动电阻器,并且在某些应用中,恢复返回的能量是特定要求。一种方法是在多个逆变器驱动器之间使用公共或共享直流母线——这在诸如卷绕机/开卷机等存在循环电力的应用中是一个特别好的解决方案。如果再生能量需要返回到交流电源,那么这就是再生驱动器的作用。简单的整流器被逆变器取代,逆变器有时被称为“有源前端”(AFE),如简化原理图图 1 所示。控制技术再生装置(“再生模式”)使用与用于电机驱动来实现 AFE。
再生模式的另一个好处是,与简单的整流器不同,它本身不会在电源中产生谐波电流。在某些应用中,这是最有价值的功能。
图 1:再生逆变器驱动系统的简化原理图,显示输入级作为有源整流器
再生扼流圈和再生逆变器的控制
呛
逆变器使用 PWM 生成三相正弦电压组,该电压组与交流电源同步。图 1 所示的串联交流电抗器有两个重要作用:
- 它可以平滑电流,以便在 PWM 开关频率下流过可容忍水平的纹波电流。
- 它允许通过在逆变器端子电压和电源之间建立小差异来控制电流。正如在同步发电机中一样,改变电压的相位角会改变有功电流,从而改变功率流,而改变电压的幅度会改变无功电流和虚数功率流。Control Techniques Regen 用户指南对此进行了进一步解释。
交流扼流圈必须在线路频率和更高的 PWM 开关频率下维持磁通量。这就是其特殊设计的原因。仅针对 50/60 Hz 运行而设计的传统扼流圈在此位置会遭受过多的功率损失,从而导致过热和效率低下。
控制
简单的二极管桥式整流器自动工作以吸取所需的输入电流,以将直流电压维持在由交流电压和任何交流电感的影响确定的平均水平。再生逆变器需要对其交流端电压进行连续主动控制,以维持有功电流和无功电流的必要值。
有功电流决定功率流。然后,使用具有设定参考直流电压的控制环路来控制直流端子电压。
再生系统中的直流电源电压必须至少超出峰值主电源电压一小部分,并且低于 OV 跳闸电平。如果电压低于峰值电源电压,则逆变器会快速跳闸,通常会出现瞬时过流,因为它无法控制续流二极管中的电流。
对电网(电网)的影响
法规
电网的设计初衷并不是接受负载返回的能量,电力公司有严格的规定来确保本地发电不会危及电网的安全和稳定。因此,任何有意发电者都必须遵守法规和技术标准,并且可能需要某种形式的独立批准。小型电力系统(例如船上)也可能禁止再生,因为再生电力可能超过负载并导致发电机超速。另一方面,如果某个特定负载偶尔将其自身存储的部分能量返回到电网,并且其功率输出远小于其所连接站点的正常功耗,则再生的效果只是暂时的。减少功耗并且影响最小。
在大多数再生应用中,驱动器的额定功率远小于现场电力系统上的其他负载,并且存储的能量也很小,因此不存在干扰或故障的风险。然而,值得关注的是法规通常涵盖的方面,因为它们可以深入了解大规模或广泛再生的一些风险。我们将在后续博客中更仔细地了解这些规定。
电压和功率因数 (cosf)
在交流输电网络中,电压下降主要发生在线路、电缆和变压器的串联电感中,负载电流的滞后(感性)分量对负载处的电压幅度影响最大。大型发电机可能需要调节其功率因数以帮助调节电压。更常见的是,它们需要以单位功率因数运行。
Unidrive M 逆变器模块可以对在其端子处测量的无功电流进行可选控制,默认情况下设置为零。外部滤波器具有串联电感和并联电容,它们会产生少量的无功功率。在额定负载下,这些值大致抵消,得到接近单位的功率因数。在负载减少时,电容占主导地位,导致功率因数滞后(视为发电机,即 VAr 为正)。在许多应用中,无功电流参考值保持默认值零。如果必须控制无功功率或电压,可以在逆变器中创建一个控制回路,调节无功电流以满足要求。
谐波、间谐波和干扰
谐波和间谐波
与二极管或晶闸管整流器不同,Regen 逆变器产生的真实电源谐波水平可忽略不计,即由非线性引起的电源频率整数倍的电流。这是因为它的工作原理是使用 PWM 生成精确的正弦电压,因此唯一不需要的频率是其自身 PWM 开关频率与电源频率之间的互调产物。这些频率远高于电源频率,因此可以轻松过滤。这些频率会有少量残留,有时仍被宽松地称为“谐波”,尽管这个名称并不严格正确。
开关频率滤波器
向电力系统中过度发射开关频率电流可能会产生严重影响,需要避免。这些频率太低,不会造成电磁干扰,目前不属于 EMC 法规的范围,但它们可能会导致 UPS 等波形敏感设备发生故障,并且还可能干扰音响系统,因为它们位于可听频率范围内。
Regen 用户指南中推荐的布置包括开关频率滤波电容器和扼流元件,以将辐射降低到足以满足大多数用途的水平。在任何安装中都必须包含此过滤器,除非有明确的理由知道不需要它。我们遇到的唯一可以确信这一点的情况是逆变器将由专用的本地发电机供电,该发电机不向任何其他设备供电。
有时,非常敏感的设备连接到同一低压电源电路,因此标准滤波装置是不够的。CT 在教堂音响系统中就经历过这种情况。在这种情况下,可以通过在现有的滤波电容器上添加额外的滤波电容器来增加滤波器衰减。或者,可以增加开关频率,这意味着标准滤波器的衰减增加并且人类听觉的灵敏度降低。
预先存在的谐波和负载的影响
市电电源中存在谐波,这将导致逆变器及其滤波器中产生一些谐波电流。尽管与简单整流器引起的问题相比,这些问题相当小,但在需要满足严格的谐波规范的情况下,它们仍然可能引起合同纠纷。很难判断谐波电流是由逆变器产生还是被逆变器吸收,并且在电流与电压不同相的情况下,方向的概念在任何情况下都是错误的。
同样重要的是要认识到,由现有谐波引起的谐波电流与负载功率无关。这意味着,当负载功率与额定值相比较小时,如果以基波电流的百分比表示,谐波电流看起来很高。大多数谐波分析仪都会提供 THD 和单个谐波占基波百分比的简单读数,作为其默认功能。很明显,当基波较小时,谐波和 THD 以百分比计算会显得非常高。在示波器上观察到的波形在轻负载时也会出现失真,这仅仅是因为谐波是固定的,但基波是功率的函数。
根据我们的经验,在调试过程中,当检查谐波和 THD 等方面时,由于运行原因而无法满载。这可能会引起误解和争议。应该清楚地理解,谐波规格与额定电流(即额定功率)下的操作有关。