基于PCI-9846數(shù)字化儀的變頻器輸出性能測試系統(tǒng)

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(duì)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(duì)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(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(duì)應(yīng)另外兩相非故障單元的處理方式還要低。

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。由于級(jí)聯(lián)型變頻器等效的輸出相電壓開關(guān)頻率為每個(gè)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(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,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，無需過多考慮兼容性問題，縮短了系統(tǒng)開發(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試系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。

圖4:測試系統(tǒng)原理框圖

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