曾经有一段时间，电机在正常条件下运行，尺寸适合应用，由平衡、清洁的三相正弦波供电，可以使用15到20年。甚至有关于马达运行了三到五十年的褒奖。
自20世纪80年代以来，该行业见证了变频驱动器(vfd)的兴起，它具有多种优势，从节能到减少泵的水锤和减少转子锁流。BETVICTOR体育官网然而，除了这些优势，来自电网的三相电压信号的良好平衡的结束和电机预期寿命的减少。这种在节能和清洁电信号之间的权衡似乎已经成为一种新常态。
VFD缺陷导致早期电机故障
vfd馈电电机的信号是脉冲或方波电压，而不是干净的正弦波。这可能会导致一些缺陷，需要在输入端和输出端添加庞大的过滤器，以及其他补偿。
从vfd中获得全部好处的最佳实践往往被遗忘，以节省购买和安装成本。因此，vfd的一些缺点不幸地成为公认的事实。这些缺点包括:
- vfd固有于其方波输出信号，是高谐波和快速上升时间电压(dv/dt)的发生器，这两者都可能有副作用。
- 高谐波会增加功率损耗，进而降低电机的效率。谐波还会增加电机的温度，导致绝缘材料的退化。
- 快速上升时间的电压会产生尖峰，也会导致绝缘材料的稳定退化。
- 谐波和电压峰值最终会降低电机绝缘，导致电机早期故障。
- vfd可以在电机轴上感应电流。这些轴承电流通过轴承放电，引起点蚀、熔合坑等，最终导致轴承故障和随后的电机故障。
减轻vfd的问题
为了缓解这些问题，制造商普遍建议以下的一些组合和/或变化:
- 保持电机和变频器之间的电缆长度小于50英尺
- 当短电缆不能使用时，请添加过滤设备
- 降低载波频率
- 从电机到VFD使用低阻抗接地线
- 使用轴系接地装置
- 在输入侧添加线路阻塞/线路滤波器，并对安装进行类似的添加或更改
这些过滤装置、地面改造等，会增加设备的采购成本、所需体积、布线时间和维护时间，并降低安装灵活性。此外，这种铜密集型设备还会对环境和处置产生额外影响。
但是，除了减轻vfd问题的额外成本之外，这些建议可能无法解决潜在的谐波问题。
从源头上解决问题
减轻谐波的最佳解决方案是不产生谐波。一些vfd已经集成了最小化谐波失真的解决方案，但它们可能昂贵且笨重。
这些解决方案是什么?
现有的第一个缓解措施是使用多脉冲VFD。多脉冲VFD将三相输入转换为9个或更多的相位(通过使用变压器产生三相输入的相位移)，然后使用三个或更多的整流桥并联产生18个或更多的脉冲。
这种解决方案受到变压器体积和高重量、成本和附加损耗的阻碍，并且谐波的缓解只是理论上的。在实际应用中，电网输入电压是不平衡的，多脉冲驱动的谐波抑制随着线路电压不平衡的增加和负载的降低而迅速退化。1
现有的第二个缓解措施是使用低谐波驱动器。这些驱动器嵌入了一个主动前端(AFE)，由三相绝缘栅双极晶体管(IGBT)整流器(电力电子结构类似于输出)组成。该输入的开关方法使其实现总谐波失真(THD)低于5%，以及许多其他优点，如能量再生和功率因数校正。
要使AFE驱动器与标准驱动器一样高效，而不产生高共模电压(这是轴承电流的来源)，需要一个精心设计的三级架构，一个输入滤波器和一个共模扼流圈。当它们没有集成到VFD中时，集成商会在外部添加和调试所有这些组件。这使得低谐波驱动器比普通的带无源滤波器的六脉冲VFD更昂贵、更笨重。
该问题的第三个解决方案利用最新一代功率晶体管、先进算法和优化的集成滤波器来生产无谐波失真的下一代vfd。
宽禁带的晶体管
宽带隙(WBG)晶体管正在改变包括vfd在内的电力电子设备。WBG半导体具有多种优势，即开关损耗降低80%以上，工作温度更高。
这些优点可以导致更高的开关频率和更低的损耗，简化冷却，在更高的温度下运行和更小的无源滤波组件。
专门编写世界银行与vfd的相关性，4E PECTA的2020年准备就绪地图2(能效终端设备国际能源机构的电力电子转换技术附件)说明如下:
“由WBG技术实现的更高的开关速度可能[……]允许集成小尺寸的dv/dt甚至正弦滤波器。这样，使用更便宜的非屏蔽电缆和更便宜的绝缘就成为可能，从而降低这些组件的成本，甚至减少由机器电流的谐波含量在电缆和机器绕组中引起的损失。”
通过这种解决方案，油气行业可以将谐波问题扼杀在萌芽状态，同时提供更小的占地面积，并允许更高的工作温度。
事实上，这种解决方案可能已经存在了一段时间:搜索关于WBG和电机驱动的文章，将会出现过去20年里吹捧“高密度功率模块”的贸易和科学文章3.，“更好的系统效率。4或强调世行集团设计面临的挑战。5
尽管他们热情高涨，但即使是4E PECTA也不认为产品最早会在2025年之前上市。6但这种变化可能比看起来更接近:新的基于wbg的VFD架构，集成了AFE和滤波器，正在展示，并正在兑现一个承诺
true-sine:变频
- 将THD降低到低于标准要求的水平
- 降低系统整体损耗(驱动器+电机)
- 消除昂贵和笨重的外部过滤器
- 保护电机寿命
- 允许使用非屏蔽电缆
在六脉冲IGBT架构主导了40多年后，下一代vfd正在从研究实验室转向设计和制造设施，为提供节能、清洁正弦波和更长的电机寿命铺平了道路。
参考文献
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