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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(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置專業(yè)，從事電力電子技術(shù)相關(guān)的研究工作。
•應(yīng)用領(lǐng)域
主要應(yīng)用在高壓大功率電機(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(cuò)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(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(duì)采用三種不同的故障處理方法時(shí)，對(duì)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(shí)監(jiān)測(cè)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(duì)系統(tǒng)工作的影響。
•解決方案
基于PCI9846的變頻器輸出性能測(cè)試系統(tǒng)，利用LabVIEW虛擬儀器軟件平臺(tái)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(shí)的參考波。在多單元級(jí)聯(lián)型變頻器仿真模型上進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)凌華PCI9846數(shù)字化儀采集三相電壓信號(hào)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(shí)的輸出情況。

基于凌華科技PCI-9846高速數(shù)字化儀的變頻器輸出性能測(cè)試系統(tǒng)

利用變頻技術(shù)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能，符合我國(guó)有關(guān)節(jié)能減排的要求和社會(huì)需求。為了使變頻裝置應(yīng)用在高電壓等級(jí)、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?fù)浣Y(jié)構(gòu)；級(jí)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(jí)聯(lián)型變頻器的具體應(yīng)用如級(jí)聯(lián)型高壓變頻器拖動(dòng)風(fēng)機(jī)、水泵等負(fù)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(duì)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(shí)停機(jī)。在利用高壓變頻裝置驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)的同時(shí)，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(cuò)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(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(cuò)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(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(shì)必會(huì)造成非故障單元的浪費(fèi)，因此對(duì)級(jí)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(shè)計(jì)的基于PCI9846的變頻器輸出性能測(cè)試系統(tǒng)主要針對(duì)采用三種不同的故障處理方法時(shí)，對(duì)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(shí)監(jiān)測(cè)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(duì)系統(tǒng)工作的影響。該測(cè)試系統(tǒng)利用LabVIEW虛擬儀器軟件平臺(tái)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(shí)的參考波。在多單元級(jí)聯(lián)型變頻器仿真模型上進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)凌華PCI9846數(shù)字化儀采集三相電壓信號(hào)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(shí)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(gè)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(gè)功率單元，即圖中的各個(gè)H橋，系統(tǒng)的三相結(jié)構(gòu)類似。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(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(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(duì)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(duì)于圖1所示的變頻器由n對(duì)依次相移60°/n的三角載波對(duì)參考波電壓進(jìn)行調(diào)制。對(duì)A相基波調(diào)制所得的n個(gè)信號(hào)，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(jí)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(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(cuò)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(dāng)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(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。所以這種變頻器用于調(diào)速電源對(duì)電機(jī)無(wú)特殊要求，可用于普通的高壓電機(jī)，且不必降額，對(duì)輸出電纜長(zhǎng)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(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(shì)必會(huì)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(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(fù)載中點(diǎn)（例如目前廣泛應(yīng)用的三相電動(dòng)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(guò)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(duì)稱電壓上共同疊加一個(gè)零序分量，以合成三相對(duì)稱的線電壓。由于兩個(gè)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(duì)稱的負(fù)載相電壓，從而保證負(fù)載的對(duì)稱穩(wěn)定運(yùn)行。但是由于三相不再對(duì)稱，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(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(duì)應(yīng)另外兩相非故障單元的處理方式還要低。

針對(duì)這一問(wèn)題，文獻(xiàn)[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?cè)泄收咸幚矸绞降那闆r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(duì)負(fù)載的影響。這種方法簡(jiǎn)單易行，對(duì)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(wú)需做出很大變動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)。與中性點(diǎn)偏移方法相比，無(wú)需計(jì)算偏移角度。

以六單元級(jí)聯(lián)系統(tǒng)為例，當(dāng)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(duì)比如圖3所示。

圖3 三種故障處理方式對(duì)比
三 基于LabVIEW和 PCI 9846的測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
為了驗(yàn)證分析級(jí)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(tái)和凌華PCI 9846高速數(shù)字化儀搭建了測(cè)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(hào)采集與處理以及電壓信號(hào)性能分析等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。由于級(jí)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(tǒng)對(duì)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(gè)高線性度的16位高精度A/D,并能實(shí)現(xiàn)四通道同時(shí)采樣，在對(duì)高頻信號(hào)的采集上具有很大的優(yōu)勢(shì),非常適合對(duì)級(jí)聯(lián)型變頻器三相輸出高頻信號(hào)的采集和處理。凌華科技同樣提供針對(duì)LabVIEW的驅(qū)動(dòng)程序，無(wú)需過(guò)多考慮兼容性問(wèn)題，縮短了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間。

基于LabVIEW虛擬儀器軟件平臺(tái)和凌華PCI 9846數(shù)字化儀的級(jí)聯(lián)型變頻器輸出特性測(cè)試系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。

圖4 測(cè)試系統(tǒng)原理框圖
其中在PC中通過(guò)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(hào)。產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)器件控制信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)輸出設(shè)備輸出，由信號(hào)調(diào)理電路處理后送至級(jí)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(duì)保存的信號(hào)進(jìn)行處理 ,完成了級(jí)聯(lián)型變頻器輸出特性檢測(cè)分析的功能。
四 信號(hào)采集與處理結(jié)果
測(cè)試系統(tǒng)利用LabVIEW虛擬儀器軟件平臺(tái)搭建的主控界面如圖5所示，這里以六單元級(jí)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(guò)程序設(shè)計(jì)得到不同故障處理方法時(shí)的參考波。這里僅對(duì)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(cè)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(jiǎn)要介紹。左側(cè)的指示燈用來(lái)表示六單元級(jí)聯(lián)系統(tǒng)各個(gè)單元的運(yùn)行狀態(tài)，不亮的指示燈表示單元對(duì)應(yīng)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(tǒng)此時(shí)的輸出能力，可以看出，在A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(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(shí)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(lái)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(duì)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(duì)多種故障的輸出情況進(jìn)行了對(duì)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(jí)聯(lián)系統(tǒng)三相正常工作的單元數(shù)分別為A相4個(gè)，B相6個(gè)，C相6個(gè)，總故障單元數(shù)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%。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(shí)，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(duì)比
故障類型 傳統(tǒng)故障處理 中性點(diǎn)移位 優(yōu)化中點(diǎn)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(jié)論
針對(duì)級(jí)聯(lián)型變頻器單元故障時(shí)的控制問(wèn)題，本文對(duì)現(xiàn)有的三種不足處理方式進(jìn)行了對(duì)比分析，并利用LabVIEW虛擬儀器軟件平臺(tái)和凌華PCI 9846數(shù)字化儀搭建了六單元級(jí)聯(lián)型變頻器輸出特性測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)三種故障處理方式進(jìn)行了測(cè)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(guò)對(duì)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(cuò)性能，是一種較為理想的級(jí)聯(lián)型變頻器故障處理方式。
 

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