應用領(lǐng)域:高壓大功率電機變頻調速領(lǐng)域。

  挑戰: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(shí)現高壓輸出，這種結構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(guò)一定的故障處理方法，可以使系統繼續降低容量運行，保證生產(chǎn)的穩定運行。本文設計的系統主要針對采用三種不同的故障處理方法時(shí)，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(jìn)行實(shí)時(shí)監測和分析，尤其是單元發(fā)生故障后，系統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，利用LabVIEW虛擬儀器軟件平臺搭建系統主控界面，設計了相應的故障處理方法，可以得到不同故障處理方法時(shí)的參考波。在多單元級聯(lián)型變頻器仿真模型上進(jìn)行測試，通過(guò)凌華PCI-9846數字化儀采集三相電壓信號后進(jìn)行分析處理，獲得三相線(xiàn)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正常運行及帶故障運行時(shí)的輸出情況。


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

  2012年12月26日 北京訊

  利用變頻技術(shù)驅動(dòng)電動(dòng)機可以實(shí)現節能，符合我國有關(guān)節能減排的要求和社會(huì )需求。為了使變頻裝置應用在高電壓等級、大容量的場(chǎng)合，通常會(huì )采用高壓大容量的開(kāi)關(guān)器件和多電平的拓撲結構；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(dòng)風(fēng)機、水泵等負載，大多工作在比較重要的場(chǎng)合，在生產(chǎn)或生活中的作用和影響較大，對可靠性要求高，一般要求系統能夠連續運轉，即使在故障后適當降低容量運行，也不能隨時(shí)停機。在利用高壓變頻裝置驅動(dòng)電動(dòng)機實(shí)現節能目標的同時(shí)，為了保證系統的可靠性，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(shí)，能夠自動(dòng)將其屏蔽，通過(guò)調整控制方式，使系統繼續運行。

   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(shí)現高壓輸出，這種結構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(guò)一定的故障處理方法，可以使系統繼續降低容量運行，保證生產(chǎn)的穩定運行。傳統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(huì )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(shí)處理方法的研究很有必要。本文設計的基于PCI-9846的變頻器輸出性能測試系統主要針對采用三種不同的故障處理方法時(shí)，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(jìn)行實(shí)時(shí)監測和分析，尤其是單元發(fā)生故障后，系統輸出電壓的性能指標，應盡量與故障前保持一致，以減小故障對系統工作的影響。該測試系統利用LabVIEW虛擬儀器軟件平臺搭建系統主控界面，設計了相應的故障處理方法，可以得到不同故障處理方法時(shí)的參考波。在多單元級聯(lián)型變頻器仿真模型上進(jìn)行測試，通過(guò)凌華PCI-9846數字化儀采集三相電壓信號后進(jìn)行分析處理，獲得三相線(xiàn)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正常運行及帶故障運行時(shí)的輸出情況。

  一 單元串聯(lián)型高壓變頻器結構及工作原理

   單元串聯(lián)型高壓變頻器采用若干個(gè)低壓功率單元串聯(lián)的方式實(shí)現直接高壓輸出，其結構如圖1所示，采用的變壓器為多重化隔離變壓器，一次側輸入高壓，二次側輸出相互隔離的低壓，供給各個(gè)功率單元，即圖中的各個(gè)H橋，系統的三相結構類(lèi)似。每個(gè)功率單元都是一個(gè)三相輸入、單相輸出的交-直-交變頻器，具有統一的結構，功率單元的結構如圖2所示。
 
                    
                                    圖1 單元串聯(lián)變頻器結構
 
                      
                                   圖2 功率單元結構

  每個(gè)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(gè)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，每單元輸出電壓0~590V可調，頻率0~50Hz可調，從而可實(shí)現變頻控制。

   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(jìn)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(jìn)行調制。對A相基波調制所得的n個(gè)信號，分別控制A1～An n個(gè)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(chēng)完美無(wú)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(kāi)一定的相位，每個(gè)功率單元的IGBT開(kāi)關(guān)頻率若為1KHz，則當每相有6個(gè)功率單元串聯(lián)時(shí)，等效的輸出相電壓開(kāi)關(guān)頻率為12KHz。功率單元采用低的開(kāi)關(guān)頻率可以降低開(kāi)關(guān)損耗，而高的等效輸出開(kāi)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值和電機的轉矩脈動(dòng)。所以這種變頻器用于調速電源對電機無(wú)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(cháng)度也沒(méi)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運行，傳統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(huì )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(diǎn)在于原理簡(jiǎn)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(jìn)一步提高多電平逆變器的輸出性能，可以采用中性點(diǎn)移位技術(shù)。中性點(diǎn)移位原理是利用變頻器的中性點(diǎn)是浮動(dòng)的，且不連接到負載中點(diǎn)（例如目前廣泛應用的三相電動(dòng)機），因此變頻器中性點(diǎn)可以偏離負載中點(diǎn)。盡管變頻器輸出三相相電壓不平衡，但通過(guò)調整相電壓的相位可以得到三相平衡的負載線(xiàn)電壓。這樣的調整方式，相當于故障后在各相剩余單元輸出的不對稱(chēng)電壓上共同疊加一個(gè)零序分量，以合成三相對稱(chēng)的線(xiàn)電壓。由于兩個(gè)中點(diǎn)不直接連接，因此該線(xiàn)電壓在負載上可以產(chǎn)生對稱(chēng)的負載相電壓，從而保證負載的對稱(chēng)穩定運行。但是由于三相不再對稱(chēng)，此時(shí)通過(guò)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(diǎn)移位的處理方式并沒(méi)有充分利用系統的最大輸出能力。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。

   針對這一問(wèn)題，文獻[2]提出了一種簡(jiǎn)易的參考波形生成方法，采用這種參考波形替代正弦波用于逆變單元控制，在不改變原有故障處理方式的情況下，可以充分利用各單元的輸出能力，提升系統的整體輸出，減小故障對負載的影響。這種方法簡(jiǎn)單易行，對于基于載波的控制系統中，只需要根據故障類(lèi)型改變參考波的形狀即可，在現有故障處理方式的基礎上無(wú)需做出很大變動(dòng)即可實(shí)現。與中性點(diǎn)偏移方法相比，無(wú)需計算偏移角度。

  以六單元級聯(lián)系統為例，當A相一個(gè)單元故障時(shí)，三種故障處理方式的原理及輸出情況對比如圖3所示。
 
            
                             圖3 三種故障處理方式對比

  三 基于LabVIEW和 PCI-9846的測試系統設計

  為了驗證分析級聯(lián)型變頻器上述三種故障處理方法的輸出性能，利用LabVIEW虛擬儀器軟件平臺和凌華PCI-9846高速數字化儀搭建了測試系統。LabVIEW采用圖形化系統設計理念以及獨特的并行數據流特征，在主控界面搭建、故障處理方法設計、信號采集與處理以及電壓信號性能分析等方面具有明顯的優(yōu)勢。由于級聯(lián)型變頻器等效的輸出相電壓開(kāi)關(guān)頻率為每個(gè)開(kāi)關(guān)器件開(kāi)關(guān)頻率的若干倍，輸出電壓諧波分布在較高頻段，因此變頻器輸出特性分析系統對數據采集設備的采樣率要求較高，普通的數據采集設備難以滿(mǎn)足如此高的采樣要求。凌華科技公司的模塊化儀器PCI-9846具有高采樣率和高采樣精度、兼容性好等優(yōu)點(diǎn),該設備最高采樣頻率為40MHz,內置四個(gè)高線(xiàn)性度的16位高精度A/D,并能實(shí)現四通道同時(shí)采樣，在對高頻信號的采集上具有很大的優(yōu)勢,非常適合對級聯(lián)型變頻器三相輸出高頻信號的采集和處理。凌華科技同樣提供針對LabVIEW的驅動(dòng)程序，無(wú)需過(guò)多考慮兼容性問(wèn)題，縮短了系統開(kāi)發(fā)時(shí)間。

  基于LabVIEW虛擬儀器軟件平臺和凌華PCI-9846數字化儀的級聯(lián)型變頻器輸出特性測試系統原理框圖如圖4所示。
 
            
                                  圖4 測試系統原理框圖

  其中在PC中通過(guò)LabVIEW虛擬儀器軟件編程，根據上述三種故障處理方式的工作原理，實(shí)現相應的控制方案，產(chǎn)生相應的控制信號。產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)器件控制信號經(jīng)數據輸出設備輸出，由信號調理電路處理后送至級聯(lián)型變頻器實(shí)驗裝置使設備工作。輸出電壓經(jīng)傳感器送至PCI 9846，然后依靠LabVIEW編寫(xiě)的采集程序對數據進(jìn)行高速采集并加以保存。隨后再利用LabVIEW編寫(xiě)的分析軟件對保存的信號進(jìn)行處理 ,完成了級聯(lián)型變頻器輸出特性檢測分析的功能。

  四 信號采集與處理結果

  測試系統利用LabVIEW虛擬儀器軟件平臺搭建的主控界面如圖5所示，這里以六單元級聯(lián)系統為例進(jìn)行分析，分別設計了相應的故障處理方法，通過(guò)程序設計得到不同故障處理方法時(shí)的參考波。這里僅對與參考波等效的相電壓及獲得的等效線(xiàn)電壓波形進(jìn)行分析。
 
              
                             圖5 測試系統主控界面

  上述演示程序中，可以選擇三種不同的故障處理方法，其原理在相應的選項卡標簽中有簡(jiǎn)要介紹。左側的指示燈用來(lái)表示六單元級聯(lián)系統各個(gè)單元的運行狀態(tài)，不亮的指示燈表示單元對應發(fā)生故障并被屏蔽。圖5中表示的是A相三個(gè)單元故障時(shí)的工作情況，指示燈上面有系統此時(shí)的輸出能力，可以看出，在A(yíng)相三個(gè)單元故障的情況下，通過(guò)部分零序電壓注入的優(yōu)化調節方式，系統仍能夠有接近75%的輸出能力，比傳統故障處理方式的輸出能力（此時(shí)為50%）有很大的提高。指示燈下方的區域為相電壓、線(xiàn)電壓有效值歸一化后的輸出，各相電壓的總諧波失真以及三相線(xiàn)電壓的相位。右側的選項卡標簽里給出的是三相相電壓、線(xiàn)電壓的輸出波形及其中一相的諧波分析。此外，程序還提供了零序電壓注入的方式，用來(lái)提高直流側電壓的利用率，進(jìn)而提高系統的輸出能力。從運行結果可以看出，采用該種故障處理方式后，僅屏蔽故障的功率單元，因此三相相電壓不再對稱(chēng)，幅值及相位均根據故障類(lèi)型做出了相應的調整，而得到的線(xiàn)電壓仍為幅值相等、三相平衡的輸出，且不含有三次諧波分量。

  利用上述程序，對多種故障的輸出情況進(jìn)行了對比分析，其輸出性能分別如下表所示。其中故障類(lèi)型表示三相分別剩余的正常單元數目，如（466）表示六單元級聯(lián)系統三相正常工作的單元數分別為A相4個(gè)，B相6個(gè)，C相6個(gè)，總故障單元數為2。此時(shí)三種處理方法得到的最大輸出能力分別為66.70%、76.30% 和83.40%?？梢钥闯隼脙?yōu)化中點(diǎn)移位即部分零序電壓注入的故障處理方式，可以得到最大的系統輸出。其它故障類(lèi)型時(shí)，系統輸出性能也均不低于前兩種處理方式。

                    表1 三種故障處理方式輸出性能  

   
 
  五 結論 

  針對級聯(lián)型變頻器單元故障時(shí)的控制問(wèn)題，本文對現有的三種不足處理方式進(jìn)行了對比分析，并利用LabVIEW虛擬儀器軟件平臺和凌華PCI-9846數字化儀搭建了六單元級聯(lián)型變頻器輸出特性測試系統，通過(guò)對三種故障處理方式進(jìn)行了測試分析，獲得了三相線(xiàn)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。通過(guò)對比發(fā)現利用優(yōu)化中點(diǎn)移位即部分零序電壓注入的故障處理方式，在故障單元屏蔽后可以得到最大的系統輸出，提高了系統的容錯性能，是一種較為理想的級聯(lián)型變頻器故障處理方式。 

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