竺  偉，蔡敏思，邵賢強，邵  戎

1  引言
自1994年美國羅賓康公司推出第一代完美無(wú)諧波高壓變頻器以來(lái)，由于其性能好、可靠性高、維修簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在歐美、日本、中國等市場(chǎng)一直處于領(lǐng)先地位。之后該公司陸續推出了第二代、第三代產(chǎn)品，到2000年又推出新一代全數字控制系統，無(wú)論從變頻器控制性能、可靠性保證、制造工藝等方面都提高了很大的一個(gè)檔次。新的控制系統變頻器在國內已經(jīng)有超過(guò)40臺的銷(xiāo)售業(yè)績(jì)，國內最早一臺是2001年7月在蘇州新加坡工業(yè)園區配水站投入運行，至今已經(jīng)將近一年，其完美的性能、全數字控制、極高的可靠性、快速功率單元旁路技術(shù)、良好的人機接口等特點(diǎn)令用戶(hù)折服。該廠(chǎng)于1997年投入使用的兩臺完美無(wú)諧波第一代產(chǎn)品也一直可靠使用至今。
2  完美無(wú)諧波高壓變頻器原理
完美無(wú)諧波系列高壓變頻器采用若干個(gè)變頻功率單元串聯(lián)的方式實(shí)現直接高壓輸出。該變頻器具有對電網(wǎng)諧波污染小，輸入功率因數高，輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱、轉矩脈動(dòng)、噪音、dV/dt及共模電壓等問(wèn)題的特性，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機，包括國產(chǎn)電機。
變頻器共有18個(gè)功率單元，從A1~A6、B1~B6、C1~C6。每個(gè)功率單元輸出電壓為630V，功率單元本身結構完全相同。6kV或10kV電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)副邊多重化的隔離變壓器給功率單元供電，功率單元為三相輸入、單相輸出的交直交PWM電壓源型逆變器結構，實(shí)現變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動(dòng)機。以6kV輸出電壓等級為例，每相由6個(gè)額定電壓為630V的功率單元串聯(lián)而成，輸出相電壓達3780V，線(xiàn)電壓達6.6kV，每個(gè)功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法，實(shí)現多重化，以達到降低輸入諧波電流的目的。對于6kV電壓等級變頻，就是36脈沖的整流電路結構，輸入電流波形接近正弦波。由于輸入電流諧波失真很低，變頻器輸入的綜合因數可達到0.95以上。
逆變器輸出采用多電平移相式PWM技術(shù)，6kV輸出相當于13電平，輸出電壓非常接近正弦波，dV/dt很小。電平數的增加有利于改善輸出波形，由諧波引起的電機發(fā)熱，噪音和轉矩脈動(dòng)都大大降低，所以這種變頻器對電機沒(méi)有特殊要求，可直接用于普通異步電機，不需要輸出濾波器。
3  新一代全數字控制系統特點(diǎn)
 2000年，羅賓康公司推出了完美無(wú)諧波高壓變頻器全新一代控制系統(稱(chēng)為NXG)，其全新的控制
性能、人機接口、故障定位等優(yōu)點(diǎn)非常突出。其中帶中性點(diǎn)漂移(Neutral_Point_Shift)的快速功率單元旁路技術(shù)和雙頻制動(dòng)(Dual Frequency Brake)功能申請了國際專(zhuān)利。
3.1  快速功率單元旁路
當最初推出完美無(wú)諧波變頻器時(shí)，其最突出的品質(zhì)是提高電網(wǎng)和電機的電源質(zhì)量。后來(lái)其固有的另一個(gè)特點(diǎn)被認識，即通過(guò)功率單元旁路技術(shù)實(shí)現冗余技術(shù)，從而大大提高了系統的可靠性。
 

圖1  典型的帶旁路接觸器的單元

功率單元旁路通過(guò)在每個(gè)單元的輸出端增加一個(gè)接觸器實(shí)現，如圖1所示。當變頻器檢測到某單元發(fā)生故障時(shí)，發(fā)出指令使相應的接觸器動(dòng)作，同時(shí)將故障單元的輸出與電路斷開(kāi)并將與故障單元相鄰的兩個(gè)單元連接起來(lái)，有效地將故障單元從電路中分離出來(lái)。然后變頻器可以重新啟動(dòng)，降額運行。這種方法可以在功率電路或通訊電路的任何元件發(fā)生故障時(shí)提供保護，而不是僅在功率半導體器件發(fā)生故障時(shí)保護變頻器。
NXG控制系統可以將故障單元旁路，并使變頻器在250ms時(shí)間內繼續運行。中性點(diǎn)漂移技術(shù)使變頻器在發(fā)生單元旁路后容量的下降最小。
通常工藝過(guò)程尤其是對風(fēng)機、水泵類(lèi)負載而言，250ms的中斷不會(huì )產(chǎn)生影響。圖2顯示了人為拔掉單元通訊光纖模擬故障后變頻器旁路過(guò)程的實(shí)測波形。

 
圖2  功率單元旁路過(guò)程

可見(jiàn)，從故障產(chǎn)生到旁路結束自動(dòng)重新開(kāi)始產(chǎn)生轉矩，時(shí)間在250ms以?xún)取?BR>3.2  旁路時(shí)中性點(diǎn)漂移
因為完美無(wú)諧波變頻器每相中的單元是串聯(lián)的，所以故障單元旁路不影響變頻器的電流，但電壓將下降。通常，所要求的電機電壓大致與速度成比例，所以變頻器能滿(mǎn)足應用要求的最大速度也將下降。因此在一個(gè)或多個(gè)單元發(fā)生故障后使電機有效電壓最大是十分重要的。
圖3說(shuō)明了完美無(wú)諧波變頻器的有效輸出電壓，其中，單元用圓圈表示為功率單元。圖中顯示為15單元變頻器中沒(méi)有單元被旁路時(shí)，全部功率單元在使用，提供100%的電壓。A相電壓指令相對B相電壓指令有120°的位移，對C相的位移也為120°。
 

圖3  15單元變頻器簡(jiǎn)圖

當變頻器某相單元被旁路時(shí)，輸出電壓將變得不平衡，如圖4所示。一種可能的措施是在所有三相中旁路掉相同的單元數，既使某些單元并沒(méi)有發(fā)生故障。圖5說(shuō)明這種方法。很顯然，這種方法避免了不平衡，但是犧牲了電壓容量。在圖5中，87%的單元是正常的，但是，僅有60%的單元在使用，所以只能提供60%的電壓。
 

圖4  2個(gè)單元被旁路的變頻器輸出

圖5  通過(guò)將正常單元旁路后輸出電壓恢復平衡

圖6  通過(guò)調整相位角（中性點(diǎn)漂移）使輸出電壓恢復平衡

一種更好的方法如圖6所示。這種方法利用單元的星形點(diǎn)是浮動(dòng)的，且不連接到電機中性點(diǎn)，所以，星形點(diǎn)可以偏離電機中性點(diǎn)，單元電壓的相位角可以被調整，因而盡管單元組電壓不平衡，但是可以得到平衡的電機電壓。該方法稱(chēng)為中性點(diǎn)漂移，等效于在單元電壓指令矢量中引進(jìn)零序成分。在圖6中，余下87%的正常單元在使用，可提供80%的輸出電壓。單元電壓的相位角被調整，因而，A相與B相以及C相的相位差為132.5°，而不是通常的120°。
圖7為發(fā)生一個(gè)單元故障后使用和不使用中性點(diǎn)漂移時(shí)輸出電壓的比較。
 

圖7  只發(fā)生一個(gè)單元故障時(shí)可提供的電壓

變頻器利用故障單元的信息自動(dòng)計算單元電壓的相位角以得到平衡的電機電壓。
對于目前國內通用的6kV完美無(wú)諧波系列高壓變頻器，結構為每相6個(gè)630V的功率單元串聯(lián)，變頻器可輸出6600V的電壓。當一個(gè)功率單元發(fā)生故障時(shí)，變頻器仍可輸出93%的電壓，還能達到6kV的輸出，即在一個(gè)功率單元發(fā)生故障時(shí)，變頻器的帶載能力不變，這在高壓變頻器中是獨一無(wú)二的。
3.3  雙頻制動(dòng)
對于一般的風(fēng)機水泵類(lèi)應用不需要頻繁的制動(dòng)，如果配置PWM可控整流，其成本大大提高。目前一般的制動(dòng)都是通過(guò)制動(dòng)電阻或向電機注入直流進(jìn)行制動(dòng)，能量并不返回電網(wǎng)。其中直流制動(dòng)不需要增加硬件，將動(dòng)能消耗在電機內部，但是直流制動(dòng)一方面制動(dòng)效果不好；另一方面在制動(dòng)過(guò)程中電機的轉速很難觀(guān)測。
 

圖8  在不同速度下雙頻制動(dòng)效果曲線(xiàn)

羅賓康公司發(fā)明了一種比直流制動(dòng)效果更好的制動(dòng)方法，全部由軟件實(shí)現，不需額外增加硬件。其基本原理是在需要制動(dòng)時(shí)，將一個(gè)高次諧波電壓疊加在正常的輸出電壓上，從而將負載的動(dòng)能轉化為熱能消耗在電機中，稱(chēng)為雙頻制動(dòng)。
雙頻制動(dòng)轉矩見(jiàn)圖8。變頻器在制動(dòng)時(shí)會(huì )自動(dòng)限制輸出電流不超出額定電流。制動(dòng)時(shí)疊加的諧波頻率可以設置，以避免制動(dòng)時(shí)出現共振的情況。
由于雙頻制動(dòng)是將負載和電機的動(dòng)能轉化為熱能消耗在電機內，因此，雙頻制動(dòng)適合于不需頻繁制動(dòng)的場(chǎng)合。為了防止電機過(guò)熱，變頻器內部有電機的熱模型，可以估算電機內部的溫度，從而自動(dòng)限制注入電機的諧波大小。
3.4  友好的人機接口和診斷接口
NXG控制具有良好的人機界面，通過(guò)普通PC機的以太網(wǎng)口，執行由羅賓康公司提供的TOOL軟件，可以以中文界面的形式顯示變頻器菜單參數、故障記錄、操作記錄等，也可以對變頻器進(jìn)行起/停操作。此外，變頻器還具備遠程監控能力。
如果用戶(hù)需要通過(guò)中文觸摸屏對變頻器進(jìn)行顯示和操作，可以非常方便的在變頻器控制柜面板上安裝中文觸摸屏。
3.5  輸入輸出電能質(zhì)量監控
由于對完美無(wú)諧波變頻器本身品質(zhì)的充分信賴(lài)，變頻器對輸入輸出電壓和電流的質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)測量和顯示。對輸入電壓電流總諧波、每次諧波、輸入功率因素、系統效率、輸入電流有效值、輸出電流諧波、有效值等變量進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，用戶(hù)可以方便的進(jìn)行監視。
4  結語(yǔ)
美國羅賓康公司完美無(wú)諧波高壓變頻器新一代全數字控制系統以其固有的高性能和高可靠性，已經(jīng)為很多用戶(hù)所稱(chēng)道。美國羅賓康公司希望能更好的為中國的節能環(huán)保事業(yè)作出貢獻。