應(yīng)用領(lǐng)域：高壓大功率電機(jī)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(shí)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(yùn)行，保證生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行。本文設(shè)計(jì)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(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)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(jì)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(jìn)行測試，通過凌華PCI-9846數(shù)字化儀采集三相電壓信號后進(jìn)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(yùn)行及帶故障運(yùn)行時的輸出情況。
利用變頻技術(shù)驅(qū)動電動機(jī)可以實(shí)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?fù)浣Y(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(jī)、水泵等負(fù)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(yùn)轉(zhuǎn)，即使在故障后適當(dāng)降低容量運(yùn)行，也不能隨時停機(jī)。在利用高壓變頻裝置驅(qū)動電動機(jī)實(shí)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(yùn)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(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(yùn)行，保證生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)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(yùn)行，這樣勢必會造成非故障單元的浪費(fèi)，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(jì)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(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)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(jì)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(jìn)行測試，通過凌華PCI-9846數(shù)字化儀采集三相電壓信號后進(jìn)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(yùn)行及帶故障運(yùn)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(shí)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(jī)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(shí)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(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(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(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動。所以這種變頻器用于調(diào)速電源對電機(jī)無特殊要求，可用于普通的高壓電機(jī)，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(yùn)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(yùn)行，這樣勢必會造成非故障單元的浪費(fèi)，因而最大輸出能力較低。該方法的優(yōu)點(diǎn)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(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)是浮動的，且不連接到負(fù)載中點(diǎn)(例如目前廣泛應(yīng)用的三相電動機(jī))，因此變頻器中性點(diǎn)可以偏離負(fù)載中點(diǎn)。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(fù)載線電壓。這樣的調(diào)整方式，相當(dāng)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(diǎn)不直接連接，因此該線電壓在負(fù)載上可以產(chǎn)生對稱的負(fù)載相電壓，從而保證負(fù)載的對稱穩(wěn)定運(yùn)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(diǎn)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(yīng)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(xiàn)[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(tǒng)的整體輸出，減小故障對負(fù)載的影響。這種方法簡單易行，對于基于載波的控制系統(tǒng)中，只需要根據(jù)故障類型改變參考波的形狀即可，在現(xiàn)有故障處理方式的基礎(chǔ)上無需做出很大變動即可實(shí)現(xiàn)。與中性點(diǎn)偏移方法相比，無需計(jì)算偏移角度。
以六單元級聯(lián)系統(tǒng)為例，當(dāng)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
三 基于LabVIEW和 PCI-9846的測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
為了驗(yàn)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(shù)字化儀搭建了測試系統(tǒng)。 LabVIEW采用圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念以及獨(dú)特的并行數(shù)據(jù)流特征，在主控界面搭建、故障處理方法設(shè)計(jì)、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關(guān)頻率為每個開關(guān)器件開關(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(tǒng)對數(shù)據(jù)采集設(shè)備的采樣率要求較高，普通的數(shù)據(jù)采集設(shè)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(yōu)點(diǎn),該設(shè)備最高采樣頻率為40MHz,內(nèi)置四個高線性度的16位高精度A/D,并能實(shí)現(xiàn)四通道同時采樣，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(qū)動程序，無需過多考慮兼容性問題，縮短了系統(tǒng)開發(fā)時間。
基于LabVIEW虛擬儀器軟件平臺和凌華PCI-9846數(shù)字化儀的級聯(lián)型變頻器輸出特性測試系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。
圖4 測試系統(tǒng)原理框圖
其中在PC中通過LabVIEW虛擬儀器軟件編程，根據(jù)上述三種故障處理方式的工作原理，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制方案，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號。產(chǎn)生的開關(guān)器件控制信號經(jīng)數(shù)據(jù)輸出設(shè)備輸出，由信號調(diào)理電路處理后送至級聯(lián)型變頻器實(shí)驗(yàn)裝置使設(shè)備工作。輸出電壓經(jīng)傳感器送至PCI 9846，然后依靠LabVIEW編寫的采集程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)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(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(jié)果
測試系統(tǒng)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(tǒng)為例進(jìn)行分析，分別設(shè)計(jì)了相應(yīng)的故障處理方法，通過程序設(shè)計(jì)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(jìn)行分析。
圖5 測試系統(tǒng)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(yīng)的選項(xiàng)卡標(biāo)簽中有簡要介紹。左側(cè)的指示燈用來表示六單元級聯(lián)系統(tǒng)各個單元的運(yùn)行狀態(tài)，不亮的指示燈表示單元對應(yīng)發(fā)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(tǒng)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(yōu)化調(diào)節(jié)方式，系統(tǒng)仍能夠有接近75%的輸出能力，比傳統(tǒng)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(qū)域?yàn)橄嚯妷骸⒕€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(cè)的選項(xiàng)卡標(biāo)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(cè)電壓的利用率，進(jìn)而提高系統(tǒng)的輸出能力。從運(yùn)行結(jié)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(jù)故障類型做出了相應(yīng)的調(diào)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(jìn)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(shù)目，如(466)表示六單元級聯(lián)系統(tǒng)三相正常工作的單元數(shù)分別為A相4個，B相6個，C相6個，總故障單元數(shù)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(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(tǒng)輸出。其它故障類型時，系統(tǒng)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
表1 三種故障處理方式輸出性能對比
五 結(jié)論
針對級聯(lián)型變頻器單元故障時的控制問題，本文對現(xiàn)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(shù)字化儀搭建了六單元級聯(lián)型變頻器輸出特性測試系統(tǒng)，通過對三種故障處理方式進(jìn)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(biāo)。通過對比發(fā)現(xiàn)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(tǒng)輸出，提高了系統(tǒng)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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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)與自動化裝置專業(yè)，從事電力電子技術(shù)相關(guān)的研究工作。
