基于PCI-9846高速數(shù)字化儀的變頻器輸出性能測試系統(tǒng)

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(cuò)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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)的輸出情況。

基于PCI-9846的變頻器輸出性能測試系統(tǒng)

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(dòng)化裝置專業(yè)，從事電力電子技術(shù)相關(guān)的研究工作。

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、大容量的場合，通常會(huì)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(dòng)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(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(huì)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(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)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(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。

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(gè)信號，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(cuò)開一定的相位，每個(gè)功率單元的IGBT開關(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(dòng)。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(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(gè)零序分量，以合成三相對稱的線電壓。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(shí)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。