基于PCI-9846高速數字化儀的變頻器輸出性能測試系統

應用領(lǐng)域:高壓大功率電機變頻調速領(lǐng)域。

挑戰: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)現高壓輸出，這種結構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(guò)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(chǎn)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(shí)，對單元串聯(lián)型高壓變頻器輸出電能質(zhì)量的各項指標進(jìn)行實(shí)時(shí)監測和分析，尤其是單元發(fā)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(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(guò)凌華PCI-9846數字化儀采集三相電壓信號后進(jìn)行分析處理，獲得三相線(xiàn)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(shí)的輸出情況。

基于PCI-9846的變頻器輸出性能測試系統

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(zhuān)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)驅動(dòng)電動(dòng)機可以實(shí)現節能，符合我國有關(guān)節能減排的要求和社會(huì )需求。為了使變頻裝置應用在高電壓等級、大容量的場(chǎng)合，通常會(huì )采用高壓大容量的開(kāi)關(guān)器件和多電平的拓撲結構;級聯(lián)型變流器是一種有很好應用前景的多電平變換器，級聯(lián)型變頻器的具體應用如級聯(lián)型高壓變頻器拖動(dòng)風(fēng)機、水泵等負載，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(shí)停機。在利用高壓變頻裝置驅動(dòng)電動(dòng)機實(shí)現節能目標的同時(shí)，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(fā)生器件或者單元故障時(shí)，能夠自動(dòng)將其屏蔽，通過(guò)調整控制方式，使系統繼續運行。

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)現高壓輸出，這種結構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(guò)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(chǎn)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(huì )造成非故障單元的浪費，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(shí)，對單元串聯(lián)型高壓變頻器輸出電能質(zhì)量的各項指標進(jìn)行實(shí)時(shí)監測和分析，尤其是單元發(fā)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(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(guò)凌華PCI-9846數字化儀采集三相電壓信號后進(jìn)行分析處理，獲得三相線(xiàn)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(shí)的輸出情況。

一 單元串聯(lián)型高壓變頻器結構及工作原理

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(gè)功率單元，即圖中的各個(gè)H橋，系統的三相結構類(lèi)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，具有統一的結構，功率單元的結構如圖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的電機系統，每單元輸出電壓0~590V可調，頻率0~50Hz可調，從而可實(shí)現變頻控制。

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)行調制。對A相基波調制所得的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(chēng)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值和電機的轉矩脈動(dòng)。所以這種變頻器用于調速電源對電機無(wú)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(cháng)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(huì )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(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，且不連接到負載中點(diǎn)(例如目前廣泛應用的三相電動(dòng)機)，因此變頻器中性點(diǎn)可以偏離負載中點(diǎn)。盡管變頻器輸出三相相電壓不平衡，但通過(guò)調整相電壓的相位可以得到三相平衡的負載線(xiàn)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(chēng)電壓上共同疊加一個(gè)零序分量，以合成三相對稱(chēng)的線(xiàn)電壓。由于兩個(gè)中點(diǎn)不直接連接，因此該線(xiàn)電壓在負載上可以產(chǎn)生對稱(chēng)的負載相電壓，從而保證負載的對稱(chēng)穩定運行。但是由于三相不再對稱(chēng)，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。