應用領(lǐng)域:高壓大功率電機變頻調(diào)速領(lǐng)域。

挑戰(zhàn):單元串聯(lián)型高壓變頻器利用若干低壓功率單元串聯(lián)實現(xiàn)高壓輸出，這種結(jié)構(gòu)使其具有良好的容錯性能;將發(fā)生故障的單元屏蔽后，通過一定的故障處理方法，可以使系統(tǒng)繼續(xù)降低容量運行，保證生產(chǎn)的穩(wěn)定運行。本文設(shè)計的系統(tǒng)主要針對采用三種不同的故障處理方法時，對單元串聯(lián)型高壓變頻器輸出電能質(zhì)量的各項指標進行實時監(jiān)測和分析，尤其是單元發(fā)生故障后，系統(tǒng)輸出電壓的性能指標，應盡量與故障前保持一致，以減小故障對系統(tǒng)工作的影響。

解決方案:基于PCI-9846的變頻器輸出性能測試系統(tǒng)，利用LabVIEW虛擬儀器軟件平臺搭建系統(tǒng)主控界面，設(shè)計了相應的故障處理方法，可以得到不同故障處理方法時的參考波。在多單元級聯(lián)型變頻器仿真模型上進行測試，通過凌華PCI-9846數(shù)字化儀采集三相電壓信號后進行分析處理，獲得三相線電壓的幅值，頻率，總諧波含量，三相電壓相位等主要性能指標，從而檢查控制算法在系統(tǒng)正常運行及帶故障運行時的輸出情況。

基于PCI-9846的變頻器輸出性能測試系統(tǒng)

作者：臧義，男，1980年6月出生，目前在河南工業(yè)大學工作，博士畢業(yè)于東北大學檢測技術(shù)與自動化裝置專業(yè)，從事電力電子技術(shù)相關(guān)的研究工作。

利用變頻技術(shù)驅(qū)動電動機可以實現(xiàn)節(jié)能，符合我國有關(guān)節(jié)能減排的要求和社會需求。為了使變頻裝置應用在高電壓等級、大容量的場合，通常會采用高壓大容量的開關(guān)器件和多電平的拓撲結(jié)構(gòu);級聯(lián)型變流器是一種有很好應用前景的多電平變換器，級聯(lián)型變頻器的具體應用如級聯(lián)型高壓變頻器拖動風機、水泵等負載，大多工作在比較重要的場合，在生產(chǎn)或生活中的作用和影響較大，對可靠性要求高，一般要求系統(tǒng)能夠連續(xù)運轉(zhuǎn)，即使在故障后適當降低容量運行，也不能隨時停機。在利用高壓變頻裝置驅(qū)動電動機實現(xiàn)節(jié)能目標的同時，為了保證系統(tǒng)的可靠性，需要高壓變頻裝置具有一定的容錯功能，即在發(fā)生器件或者單元故障時，能夠自動將其屏蔽，通過調(diào)整控制方式，使系統(tǒng)繼續(xù)運行。

單元串聯(lián)型高壓變頻器利用若干低壓功率單元串聯(lián)實現(xiàn)高壓輸出，這種結(jié)構(gòu)使其具有良好的容錯性能;將發(fā)生故障的單元屏蔽后，通過一定的故障處理方法，可以使系統(tǒng)繼續(xù)降低容量運行，保證生產(chǎn)的穩(wěn)定運行。傳統(tǒng)的故障處理方法是采用屏蔽掉故障單元與另外兩相中相應的非故障單元，以保持變頻器的平衡運行，這樣勢必會造成非故障單元的浪費，因此對級聯(lián)型變頻器正常工作及故障時處理方法的研究很有必要。本文設(shè)計的基于PCI-9846的變頻器輸出性能測試系統(tǒng)主要針對采用三種不同的故障處理方法時，對單元串聯(lián)型高壓變頻器輸出電能質(zhì)量的各項指標進行實時監(jiān)測和分析，尤其是單元發(fā)生故障后，系統(tǒng)輸出電壓的性能指標，應盡量與故障前保持一致，以減小故障對系統(tǒng)工作的影響。該測試系統(tǒng)利用LabVIEW虛擬儀器軟件平臺搭建系統(tǒng)主控界面，設(shè)計了相應的故障處理方法，可以得到不同故障處理方法時的參考波。在多單元級聯(lián)型變頻器仿真模型上進行測試，通過凌華PCI-9846數(shù)字化儀采集三相電壓信號后進行分析處理，獲得三相線電壓的幅值，頻率，總諧波含量，三相電壓相位等主要性能指標，從而檢查控制算法在系統(tǒng)正常運行及帶故障運行時的輸出情況。

一 單元串聯(lián)型高壓變頻器結(jié)構(gòu)及工作原理

單元串聯(lián)型高壓變頻器采用若干個低壓功率單元串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓輸出，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用的變壓器為多重化隔離變壓器，一次側(cè)輸入高壓，二次側(cè)輸出相互隔離的低壓，供給各個功率單元，即圖中的各個H橋，系統(tǒng)的三相結(jié)構(gòu)類似。每個功率單元都是一個三相輸入、單相輸出的交-直-交變頻器，具有統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)，功率單元的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

每個功率單元分別由輸入變壓器的一組二次繞組供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。如采用每相六單元串聯(lián)的形式，則每個功率單元承受全部的輸出電流，但僅承受1/6的輸出相電壓和1/18的輸出功率;對于6KV的電機系統(tǒng)，每單元輸出電壓0~590V可調(diào)，頻率0~50Hz可調(diào)，從而可實現(xiàn)變頻控制。

單元串聯(lián)型高壓變頻器各的功率單元采用載波相移PWM技術(shù)進行控制，對于圖1所示的變頻器由n對依次相移60°/n的三角載波對參考波電壓進行調(diào)制。對A相基波調(diào)制所得的n個信號，分別控制A1～An n個功率單元，經(jīng)疊加即可得具有2*n+1級階梯的相電壓波形。它相當于6*n脈波變頻，理論上6*n-1次以下的諧波都可以抵消，總的電壓和電流畸變可低至1%左右，因此也堪稱完美無諧波變頻器。該系列變頻器同一相的功率單元輸出相同的基波電壓，串聯(lián)各單元之間的載波錯開一定的相位，每個功率單元的IGBT開關(guān)頻率若為1KHz，則當每相有6個功率單元串聯(lián)時，等效的輸出相電壓開關(guān)頻率為12KHz。功率單元采用低的開關(guān)頻率可以降低開關(guān)損耗，而高的等效輸出開關(guān)頻率和多電平可大大改善輸出波形。波形改善除減小輸出諧波外，還可降低噪音、du/dt值和電機的轉(zhuǎn)矩脈動。所以這種變頻器用于調(diào)速電源對電機無特殊要求，可用于普通的高壓電機，且不必降額，對輸出電纜長度也沒有特殊限制。

二 單元串聯(lián)型高壓變頻器故障處理方法分析

為了提高單元串聯(lián)型變頻器的可靠性，使其在部分功率單元發(fā)生故障后仍能夠繼續(xù)運行，傳統(tǒng)的故障處理方法是采用屏蔽掉故障單元與另外兩相中相應的非故障單元，以保持變頻器的平衡運行，這樣勢必會造成非故障單元的浪費，因而最大輸出能力較低。該方法的優(yōu)點在于原理簡單，技術(shù)成熟可靠。

為了在單元故障后充分利用所有的非故障單元，進一步提高多電平逆變器的輸出性能，可以采用中性點移位技術(shù)。中性點移位原理是利用變頻器的中性點是浮動的，且不連接到負載中點(例如目前廣泛應用的三相電動機)，因此變頻器中性點可以偏離負載中點。盡管變頻器輸出三相相電壓不平衡，但通過調(diào)整相電壓的相位可以得到三相平衡的負載線電壓。這樣的調(diào)整方式，相當于故障后在各相剩余單元輸出的不對稱電壓上共同疊加一個零序分量，以合成三相對稱的線電壓。由于兩個中點不直接連接，因此該線電壓在負載上可以產(chǎn)生對稱的負載相電壓，從而保證負載的對稱穩(wěn)定運行。但是由于三相不再對稱，此時通過注入三次諧波以提高單元電壓利用率的優(yōu)化控制方法不再適用，因此，中性點移位的處理方式并沒有充分利用系統(tǒng)的最大輸出能力。某些故障狀態(tài)下，其最大輸出能力甚至比傳統(tǒng)的屏蔽故障單元及其對應另外兩相非故障單元的處理方式還要低。