應(yīng)用領(lǐng)域

主要應(yīng)用在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(biāo)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(biāo)，應(yīng)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(yīng)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(biāo)，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。

摘要

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(yīng)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(yīng)用前景的多電平變換器，級聯(lián)型變頻器的具體應(yīng)用如級聯(lián)型高壓變頻器拖動風(fēng)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(dāng)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(biāo)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(yīng)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(biāo)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(biāo)，應(yīng)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(yīng)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(biāo)，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。

圖1 單元串聯(lián)變頻器結(jié)構(gòu)

圖2 功率單元結(jié)構(gòu)

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(dāng)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(dāng)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。