作者：臧義，男，1980年6月出生，目前在河南工業大學工作，博士畢業于東北大學檢測技術與自動化裝置專業，從事電力電子技術相關的研究工作。
應用領域:高壓大功率電機變頻調速領域。
挑戰:單元串聯型高壓變頻器利用若干低壓功率單元串聯實現高壓輸出，這種結構使其具有良好的容錯性能；將發生故障的單元屏蔽后，通過一定的故障處理方法，可以使系統繼續降低容量運行，保證生產的穩定運行。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，對單元串聯型高壓變頻器輸出電能質量的各項指標進行實時監測和分析，尤其是單元發生故障后，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的參考波。在多單元級聯型變頻器仿真模型上進行測試，通過凌華 PCI-9846數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正常運行及帶故障運行時的輸出情況。
2012年12月26日 北京訊 利用變頻技術驅動電動機可以實現節能，符合我國有關節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器件和多電平的拓撲結構；級聯型變流器是一種有很好應用前景的多電平變換器，級聯型變頻器的具體應用如級聯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，也不能隨時停機。在利用高壓變頻裝置驅動電動機實現節能目標的同時，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，即在發生器件或者單元故障時，能夠自動將其屏蔽，通過調整控制方式，使系統繼續運行。
單元串聯型高壓變頻器利用若干低壓功率單元串聯實現高壓輸出，這種結構使其具有良好的容錯性能；將發生故障的單元屏蔽后，通過一定的故障處理方法，可以使系統繼續降低容量運行，保證生產的穩定運行。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，這樣勢必會造成非故障單元的浪費，因此對級聯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，對單元串聯型高壓變頻器輸出電能質量的各項指標進行實時監測和分析，尤其是單元發生故障后，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的參考波。在多單元級聯型變頻器仿真模型上進行測試，通過凌華 PCI-9846數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正常運行及帶故障運行時的輸出情況。 一 單元串聯型高壓變頻器結構及工作原理
單元串聯型高壓變頻器采用若干個低壓功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出，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，供給各個功率單元，即圖中的各個H橋，系統的三相結構類似。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，具有統一的結構，功率單元的結構如圖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，每單元輸出電壓0~590V可調，頻率0~50Hz可調，從而可實現變頻控制。
單元串聯型高壓變頻器各的功率單元采用載波相移PWM技術進行控制，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制。對A相基波調制所得的n個信號，分別控制A1～An n個功率單元，經疊加即可得具有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開關頻率若為1KHz，則當每相有6個功率單元串聯時，等效的輸出相電壓開關頻率為12KHz。功率單元采用低的開關頻率可以降低開關損耗，而高的等效輸出開關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。所以這種變頻器用于調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 單元串聯型高壓變頻器故障處理方法分析
為了提高單元串聯型變頻器的可靠性，使其在部分功率單元發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。該方法的優點在于原理簡單，技術成熟可靠。
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。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生對稱的負載相電壓，從而保證負載的對稱穩定運行。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的最大輸出能力。某些故障狀態下，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。
針對這一問題，文獻[2]提出了一種簡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。這種方法簡單易行，對于基于載波的控制系統中，只需要根據故障類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需做出很大變動即可實現。與中性點偏移方法相比，無需計算偏移角度。
以六單元級聯系統為例，當A相一個單元故障時，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
為了驗證分析級聯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勢。由于級聯型變頻器等效的輸出相電壓開關頻率為每個開關器件開關頻率的若干倍，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、兼容性好等優點,該設備最高采樣頻率為40MHz,內置四個高線性度的16位高精度A/D,并能實現四通道同時采樣，在對高頻信號的采集上具有很大的優勢,非常適合對級聯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的驅動程序，無需過多考慮兼容性問題，縮短了系統開發時間。 基于LabVIEW虛擬儀器軟件平臺和凌華 PCI-9846數字化儀的級聯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，實現相應的控制方案，產生相應的控制信號。產生的開關器件控制信號經數據輸出設備輸出，由信號調理電路處理后送至級聯型變頻器實驗裝置使設備工作。輸出電壓經傳感器送至 PCI 9846，然后依靠LabVIEW編寫的采集程序對數據進行高速采集并加以保存。隨后再利用LabVIEW編寫的分析軟件對保存的信號進行處理 ,完成了級聯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，這里以六單元級聯系統為例進行分析，分別設計了相應的故障處理方法，通過程序設計得到不同故障處理方法時的參考波。這里僅對與參考波等效的相電壓及獲得的等效線電壓波形進行分析。
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要介紹。左側的指示燈用來表示六單元級聯系統各個單元的運行狀態，不亮的指示燈表示單元對應發生故障并被屏蔽。圖5中表示的是A相三個單元故障時的工作情況，指示燈上面有系統此時的輸出能力，可以看出，在A相三個單元故障的情況下，通過部分零序電壓注入的優化調節方式，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（此時為50%）有很大的提高。指示燈下方的區域為相電壓、線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電壓的相位。右側的選項卡標簽里給出的是三相相電壓、線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，用來提高直流側電壓的利用率，進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，幅值及相位均根據故障類型做出了相應的調整，而得到的線電壓仍為幅值相等、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行了對比分析，其輸出性能分別如下表所示。其中故障類型表示三相分別剩余的正常單元數目，如（466）表示六單元級聯系統三相正常工作的單元數分別為A相4個，B相6個，C相6個，總故障單元數為2。此時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%。可以看出利用優化中點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。其它故障類型時，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對比
|
故障類型 |
傳統故障處理 |
中性點移位 |
優化中點移位 |
|
(666) |
100% |
100% |
100% |
|
(566) |
83.30% |
81.90% |
91.70% |
|
(655) |
83.30% |
77.00% |
83.30% |
|
(466) |
66.70% |
76.30% |
83.40% |
|
(555) |
83.30% |
83.30% |
83.30% |
|
(456) |
66.70% |
71.40% |
75.10% |
|
(366) |
50% |
70.30% |
78.90% |
五 結論
針對級聯型變頻器單元故障時的控制問題，本文對現有的三種不足處理方式進行了對比分析，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型變頻器輸出特性測試系統，通過對三種故障處理方式進行了測試分析，獲得了三相線電壓的幅值，頻率，總諧波含量，三相電壓相位等主要性能指標。通過對比發現利用優化中點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型變頻器故障處理方式。
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