基于PCI-9846數字化儀的變頻器輸出性能測試系統

圖2:功率單元結構


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。

以六單元級聯(lián)系統為例，當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比如圖3所示。

圖3:三種故障處理方式對比

三 基于LabVIEW和PCI-9846的測試系統設計

為了驗證分析級聯(lián)型變頻器上述三種故障處理方法的輸出性能，利用LabVIEW虛擬儀器軟件平臺和凌華PCI-9846高速數字化儀搭建了測試系統。LabVIEW采用圖形化系統設計理念以及獨特的并行數據流特征，在主控界面搭建、故障處理方法設計、信號采集與處理以及電壓信號性能分析等方面具有明顯的優(yōu)勢。由于級聯(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對數據采集設備的采樣率要求較高，普通的數據采集設備難以滿(mǎn)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),該設備最高采樣頻率為40MHz,內置四個(gè)高線(xiàn)性度的16位高精度A/D,并能實(shí)現四通道同時(shí)采樣，在對高頻信號的采集上具有很大的優(yōu)勢,非常適合對級聯(lián)型變頻器三相輸出高頻信號的采集和處理。凌華科技同樣提供針對LabVIEW的驅動(dòng)程序，無(wú)需過(guò)多考慮兼容性問(wèn)題，縮短了系統開(kāi)發(fā)時(shí)間。

基于LabVIEW虛擬儀器軟件平臺和凌華PCI-9846數字化儀的級聯(lián)型變頻器輸出特性測試系統原理框圖如圖4所示。

圖4:測試系統原理框圖

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