基于PCI-9846的變頻器輸出性能測試系統應用

　    挑戰:單元串聯型高壓變頻器利用若干低壓功率單元串聯實現高壓輸出，這種結構使其具有良好的容錯性能；將發生故障的單元屏蔽后，通過一定的故障處理方法，可以使系統繼續降低容量運行，保證生產的穩定運行。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，對單元串聯型高壓變頻器輸出電能質量的各項指標進行實時監測和分析，尤其是單元發生故障后，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的參考波。在多單元級聯型變頻器仿真模型上進行測試，通過凌華PCI-9846數字化儀采集三相電壓信號后進行分析處理，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，從而檢查控制算法在系統正常運行及帶故障運行時的輸出情況。

　　利用變頻技術驅動電動機可以實現節能，符合我國有關節能減排的要求和社會需求。為了使變頻裝置應用在高電壓等級、大容量的場合，通常會采用高壓大容量的開關器件和多電平的拓撲結構；級聯型變流器是一種有很好應用前景的多電平變換器，級聯型變頻器的具體應用如級聯型高壓變頻器拖動風機、水泵等負載，大多工作在比較重要的場合，在生產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，也不能隨時停機。在利用高壓變頻裝置驅動電動機實現節能目標的同時，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，即在發生器件或者單元故障時，能夠自動將其屏蔽，通過調整控制方式，使系統繼續運行。

　　單元串聯型高壓變頻器利用若干低壓功率單元串聯實現高壓輸出，這種結構使其具有良好的容錯性能；將發生故障的單元屏蔽后，通過一定的故障處理方法，可以使系統繼續降低容量運行，保證生產的穩定運行。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，這樣勢必會造成非故障單元的浪費，因此對級聯型變頻器正常工作及故障時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，對單元串聯型高壓變頻器輸出電能質量的各項指標進行實時監測和分析，尤其是單元發生故障后，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的參考波。在多單元級聯型變頻器仿真模型上進行測試，通過凌華PCI-9846數字化儀采集三相電壓信號后進行分析處理，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，從而檢查控制算法在系統正常運行及帶故障運行時的輸出情況。

　　一單元串聯型高壓變頻器結構及工作原理

　　單元串聯型高壓變頻器采用若干個低壓功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出，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，供給各個功率單元，即圖中的各個H橋，系統的三相結構類似。每個功率單元都是一個三相輸入、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。

                                                      圖1單元串聯變頻器結構

                                              　         圖2功率單元結構

　　每個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的形式，則每個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，從而可實現變頻控制。

　　單元串聯型高壓變頻器各的功率單元采用載波相移PWM技術進行控制，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行調制。對A相基波調制所得的n個信號，分別控制A1～Ann個功率單元，經疊加即可得具有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，串聯各單元之間的載波錯開一定的相位，每個功率單元的IGBT開關頻率若為1KHz，則當每相有6個功率單元串聯時，等效的輸出相電壓開關頻率為12KHz。功率單元采用低的開關頻率可以降低開關損耗，而高的等效輸出開關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。所以這種變頻器用于調速電源對電機無特殊要求，可用于普通的高壓電機，且不必降額，對輸出電纜長度也沒有特殊限制。

　　二單元串聯型高壓變頻器故障處理方法分析

　　為了提高單元串聯型變頻器的可靠性，使其在部分功率單元發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。該方法的優點在于原理簡單，技術成熟可靠。

　　為了在單元故障后充分利用所有的非故障單元，進一步提高多電平逆變器的輸出性能，可以采用中性點移位技術。中性點移位原理是利用變頻器的中性點是浮動的，且不連接到負載中點（例如目前廣泛應用的三相電動機），因此變頻器中性點可以偏離負載中點。盡管變頻器輸出三相相電壓不平衡，但通過調整相電壓的相位可以得到三相平衡的負載線電壓。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電壓上共同疊加一個零序分量，以合成三相對稱的線電壓。由于兩個中點不直接連接，因此該線電壓在負載上可以產生對稱的負載相電壓，從而保證負載的對稱穩定運行。但是由于三相不再對稱，此時通過注入三次諧波以提高單元電壓利用率的優化控制方法不再適用，因此，中性點移位的處理方式并沒有充分利用系統的最大輸出能力。某些故障狀態下，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。

　　針對這一問題，文獻[2]提出了一種簡易的參考波形生成方法，采用這種參考波形替代正弦波用于逆變單元控制，在不改變原有故障處理方式的情況下，可以充分利用各單元的輸出能力，提升系統的整體輸出，減小故障對負載的影響。這種方法簡單易行，對于基于載波的控制系統中，只需要根據故障類型改變參考波的形狀即可，在現有故障處理方式的基礎上無需做出很大變動即可實現。與中性點偏移方法相比，無需計算偏移角度。