電力推進系統中變頻器為什麼會有脈衝？

06-27

船舶電力推進在工程船部分負荷運行下具有顯著的節油和降噪的優點，因此電力推進在船舶市場領域每年都在增長。下圖是典型的電力推進系統圖。

此圖中起關鍵作用的是變頻器，把電網中交流電力調製成頻率可變化的推進電力。

變頻器原理

下圖為典型的6脈衝變頻器

間接變頻方式的工作原理是先將電網輸入的交流電變為直流電，然後再在變流電路中將直流轉變為頻率可調的交流輸出。其變頻器具有結構簡單、輸出頻率變化範圍大、功率因數高、諧波易於消除、可應用於各種大功率設備等優點。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor 絕緣柵極型功率管)具有高速開關功能，可以把直流電壓調製成任何寬度的直流脈衝電壓（PWM信號），高速開關的性能能使得任何頻率可以調製出來。

為什麼說它是6脈衝呢，請看圖的左邊，在系統的輸入側，是三相電源，經過橋式整流器時，對於直流電來說正極有三次脈衝，負極有三次脈衝，所以叫著6脈衝變頻器。

諧波問題

6脈衝變頻器會產生嚴重的諧波問題。

在變頻器輸入端的橋式整流電路上，二極體工作在通斷狀態，電壓大於直流側的電壓時，二極體打通，電壓小於直流側的電壓時關斷。IGBT把輸入的直流電流以高頻脈衝的方式逆變並模擬形成正弦波，但電機得到的波形不是標準的正弦波形而是有所畸變的。如下圖所示

IGBT的電流是脈衝形式的，IGBT的高頻開關把電流以高頻的形式返射給配電網路，高頻電流通常是基頻的奇數倍，3倍，5倍，7倍……形成高次諧波，諧波會導致正弦波形畸變如下圖所示，電網中的諧波電流會最終流向發電機組，導致發電機溫度升高，選用的馬達也會因為諧波電流的存在而溫度升高，因此選擇發電機，變壓器和馬達時要選擇絕緣等級高的，尺寸大一點的，散熱能力強的型號，或者功率容量也要大一點的。

諧波會影響整個電氣網路，與電氣相連的電子設備有時會不正常的溫度升高，功能失常。

變頻器也會損壞電機的軸承。這是因為高頻的電壓輸入電機時，在PWM信號上升沿時會形成高頻的電流，這時電纜及繞組等通電導體在空間上會形成雜散電容，軸承套與軸承座也會形成雜散電容，當軸承運轉時，就會形成電容充放電過程，想像一空氣閘開關分離的瞬間產生電弧。軸承內部也會產生電弧。造成軸承內部表面產生小坑，損害軸承。如果是經常變頻使用，極端情況下軸承的壽命有時會縮短至6個月。

當配電網路的容量很大時，而變頻功率又比較小時，產生的諧波不足以造成損害。而在電力推進的船舶上通常變頻的功率相當大的，造成的諧波干擾會在相當程度上危害船舶設備。解決的方法之一是可採用12脈衝的的變頻器，如下圖所示。

12脈衝變頻器

12脈衝變頻器需要移相變壓器，會降低電網中的諧波含量。當然系統價格也會提高。

另外一種方法是採用AFE技術。AFE變頻是用IGBT把輸入端的二極體整流裝置替換掉，這樣輸入的波形就是正弦波，輸出也是正弦波，電網中就諧波就會很小。但此時電網會有高頻干擾，需要加裝高頻過濾裝置。下圖是AFE變頻裝置電路原理圖。

AFE變頻器

採用AFE變頻技術的電機在制動時產生的動能會反饋給電網，有時需要安裝制動電阻箱防止對電網產生衝擊。

AFE變頻設備不需要移相變壓器。但價格依然很貴。18脈衝和24脈衝的變頻器需要更多的移相變壓器，這種形式上變頻由於用得不多，價格又貴得離譜，所以很少會用在船舶電力推進裝置中。