采用智能化單元的高壓變頻調速裝置

　　1　引言

　　高壓變頻的方式有多種，如高-低-高方式、三電平方式、元器件直接串聯(lián)的二電平方式、單元串聯(lián)的多電平方式等。在國內發(fā)展比較快、應用比較廣的方式是單元串聯(lián)多電平方式，本文中談到的高壓變頻調速裝置除特別注明均為單元串聯(lián)多電平方式的高壓變頻調速裝置。

　　單元串聯(lián)多電平方式的高壓變頻調速裝置從組成來(lái)看主要包括輸入變壓器、功率單元、主控制器三部分。輸入變壓器的主要功能是為功率單元提供電源；功率單元主要完成三相交流輸入至單相交流輸出的整流逆變功能；主控制器主要完成所有單元的協(xié)調工作以及對外的接口功能。從控制方法的實(shí)現來(lái)說(shuō)，主要有兩種途徑，一種我們稱(chēng)之為集中控制型，一種稱(chēng)之為智能單元型。

　　集中控制型的高壓變頻調速裝置中功率單元的spwm波是由主控制器產(chǎn)生，功率單元得到的是逆變橋（逆變功率元件通常為igbt）的開(kāi)關(guān)控制信號和旁路開(kāi)關(guān)的控制信號。單元內部經(jīng)過(guò)硬件測量形成的狀態(tài)量經(jīng)編碼器編碼發(fā)送給主控制器，主控制器接收所有單元的編碼進(jìn)行邏輯控制。

　　當前市場(chǎng)上多數單元串聯(lián)多電平方式的高壓變頻調速裝置都屬于這種集中控制型的變頻裝置。

　　智能單元型的高壓變頻調速裝置中功率單元的spwm波由單元根據主控制器的調頻指令，經(jīng)單元根據自身狀態(tài)修正后產(chǎn)生。主控制器接收單元的狀態(tài)信號進(jìn)行邏輯控制并協(xié)調所有的單元同步工作。

　　上?？七_機電控制有限公司研制生產(chǎn)的maxf系列高壓變頻調速裝置屬于智能單元型的變頻裝置。

　　2 智能化單元的定義

　　什么樣的單元是智能化單元呢？這里我們對智能化單元做一個(gè)定義，所謂智能化單元就是單元具有自已獨立的控制器，能夠獨立完成單元自身的測量、保護、spwm波形逆變等實(shí)時(shí)控制功能并能夠接收外部指令完成相應功能的功率單元。

　　單元具有自己獨立的控制器，也就是說(shuō)單元內部需要有cpu，但并不是說(shuō)單元具有cpu就是智能化單元，這個(gè)cpu需要能夠完成單元的測量、控制，也就是說(shuō)單元內部可以進(jìn)行a/d轉換進(jìn)行模擬量測量，根據測量結果實(shí)現軟件的邏輯控制、保護功能；同時(shí)單元內的cpu需要完成單元自身的逆變控制功能，即單元自身能夠根據需要完成單相交流輸出波形，承擔了變頻控制的主要功能；為了和其它單元協(xié)調工作，單元需要具備交互控制功能，即單元可以接收指令、數據，同時(shí)也可以輸出自己的狀態(tài)和數據；總的來(lái)說(shuō)，智能化單元本身就是一個(gè)三相交流輸入、單相交流輸出的低壓變頻器，具備測量、逆變、接口等所有主要功能。

　　3　采用智能化單元的目的

　　為什么要采用智能化單元呢？

　?。?）智能化單元是控制功能的分解，即功率單元承擔了逆變控制的主要功能，單元cpu直接控制功率元件，沒(méi)有中間環(huán)節，這樣的實(shí)時(shí)控制更加直接、控制速度更快；

　?。?）功率單元獨立完成自身的測量、保護及逆變控制，控制功能模塊化，控制功能獨立，減少了模塊控制之間的相互影響，提高了模塊控制的可靠性和獨立性；

　?。?）采用了智能化單元后，主控制器的控制邏輯簡(jiǎn)化，cpu控制資源充足，軟件的編制簡(jiǎn)化，軟件的可靠性得到提高；

　?。?）采用智能化單元，由于單元具有自己的cpu，具有豐富的i/o資源，可以對更多的數字量進(jìn)行監控，同時(shí)可以進(jìn)行模擬量測量，可以對更多的單元內部量進(jìn)行監控；

　?。?）采用智能化單元，可以實(shí)現更多的功能，例如單元的投切功能，輸出波形的優(yōu)化功能，調整載波頻率等；

　?。?）采用智能化單元，方便產(chǎn)品功能的擴充和提升。

　　4　智能化單元實(shí)現的功能

　　智能化單元由于具有單元自身的cpu，可以方便地實(shí)現各種功能。

　?。?）從測量方面來(lái)講，可以實(shí)現單元直流側電壓、輸出電壓、輸出電流、功率元件溫度等模擬量的測量，可以監測硬件的過(guò)壓、過(guò)流等數字量的輸入；

　?。?）從保護方面講，可以根據模擬量測量的數據方便地實(shí)現軟件過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)溫等保護邏輯，同時(shí)可以根據數字量的輸入狀態(tài)讀入硬件保護的狀態(tài)；

　?。?）從控制功能方面講，單元可以根據需要自己產(chǎn)生spwm輸出波形，完成對波形的細化、優(yōu)化，根據調頻指令自動(dòng)調整輸出電壓、輸出頻率；正因為單元自身可以進(jìn)行逆變控制，因此可以實(shí)現較高的載波頻率，有效降低裝置的輸出電流諧波；采用智能化單元可以實(shí)現單元輸出電壓的任意控制，即各個(gè)單元的輸出電壓根據需要可以一致，也可以不一致，方便實(shí)現整個(gè)裝置三相輸出的自動(dòng)平衡。

　?。?）采用智能化單元可以實(shí)現單元的快速旁路，即單元的快速退出；這個(gè)退出可以是主動(dòng)退出也可以是被動(dòng)退出，主動(dòng)退出是指在調試過(guò)程中通過(guò)指令主動(dòng)退出個(gè)別單元來(lái)驗證單元的退出功能、裝置的輸出自動(dòng)平衡功能、裝置的抗擾動(dòng)功能等功能；被動(dòng)退出是指裝置出現故障時(shí)的退出；單元的快速退出可以減小對裝置的擾動(dòng)，提高裝置的可靠性。

　?。?）采用智能化單元可以實(shí)現單元在退出狀態(tài)下的主動(dòng)投入，即退出運行的單元在其它單元正常運行的情況下可以加入運行序列中。配合單元的結構設計，如單元外殼的絕緣設計、輸入輸出的插拔結構設計等，可以實(shí)現功率單元的在線(xiàn)維護，即出現故障的功率單元可以在裝置不停機的狀態(tài)下進(jìn)行在線(xiàn)更換，極大地提高了裝置的連續運行能力，對可靠性要求高的應用場(chǎng)合具有很強的適用性。

　?。?）從通訊方面講，智能化單元可以方便地實(shí)現串行通訊，可以進(jìn)行通訊校驗，減少通訊錯誤；由于通訊數據不參與實(shí)時(shí)控制，因此數據的實(shí)時(shí)性要求較低，數據的傳輸量可以比較大，較完善地實(shí)現了單元和外界的接口功能。

　?。?）采用智能化單元，可以具備更多的測量數據、更加實(shí)時(shí)的控制方式，因此可以進(jìn)行更加完善的狀態(tài)監測，而且可以實(shí)現更加準確、完善的故障定位。

　　5　集中控制型和智能單元型高壓變頻裝置的比較

　　集中控制型高壓變頻調速裝置和智能單元型高壓變頻調速裝置均為單元串聯(lián)多電平方式的高壓變頻裝置，兩者的主回路相同，均為帶有輸入變壓器的直接高-高方式的電壓源型高壓變頻裝置，由于二者控制部分實(shí)現的途徑不同，因此具有各自不同的特點(diǎn)，以下是二者的比較。

　?。?）控制結構：集中控制型為單處理器控制，即主控制器處理器；智能單元型為多處理器控制，每個(gè)功率單元至少有一個(gè)處理器，主控制器至少一個(gè)處理器，對于6kv系統，如果每相5個(gè)單元串聯(lián)，則至少有16個(gè)處理器同時(shí)協(xié)調工作。

　?。?）硬件結構：集中控制型的單元功能較少，硬件結構相對比較簡(jiǎn)單；智能單元自身具有cpu的控制部分，同時(shí)可以實(shí)現的功能較多，因此硬件結構相對比較復雜。

　?。?）通訊速率要求：集中控制型的裝置主控制器參與實(shí)時(shí)控制，因此主控制器和單元之間的通訊速率要求很快，否則無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)控制的要求；智能單元型的裝置因主控制器不直接進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，因此對通訊速率的要求較低。

　?。?）容錯性：對于集中控制型的裝置，通訊的數據是用來(lái)進(jìn)行直接實(shí)時(shí)控制的，不允許通訊數據出錯，否則將帶來(lái)不可預知的結果，因此其通訊數據的容錯性較差，比較容易出現因光線(xiàn)通訊出錯而造成單元退出甚至裝置退出運行；對于智能單元型的裝置，通訊的數據是指令和單元狀態(tài)量，均不直接參與實(shí)時(shí)控制，同時(shí)通訊的雙方（智能單元和主控制器）可以進(jìn)行數據校驗，對錯誤的指令和狀態(tài)可以進(jìn)行判斷，因此具有很強的容錯性。

　　由于智能單元型裝置的通訊速率較低，能夠進(jìn)行通訊校驗和糾錯，容錯性很強，因此其主控制器和單元之間的通訊可靠性很高，這是保證裝置正常工作的重要環(huán)節。

　?。?）單元的載波頻率：集中控制型的裝置受到通訊速率的限制，單元的載波頻率較低，一般為600hz~1000hz；智能單元從綜合開(kāi)關(guān)損耗和諧波等考慮，其載波頻率較高，通常為2000hz左右。載波頻率的高低是影響輸出電流諧波的重要因素，載波頻率高，輸出電流諧波較小。

　?。?）在線(xiàn)維護：對于集中控制型的裝置來(lái)說(shuō)，在裝置運行狀態(tài)下，個(gè)別功率單元退出運行后，無(wú)法將退出的單元重新投入運行，即使結構上采取措施，也無(wú)法用備用單元進(jìn)行裝置的在線(xiàn)維護；智能化單元可以在裝置運行的狀態(tài)下進(jìn)行單