單元串聯(lián)式高壓變頻器功率單元故障處理技術(shù)的研究

汪偉,蔡慧,陳衛(wèi)民,孫冠群

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

1 引言

交流電機(jī)變頻調(diào)速是當(dāng)今節(jié)約電能,改善生產(chǎn)工藝流程,提高產(chǎn)品質(zhì)量,以及改善運(yùn)行環(huán)境的一種重要手段[1]。高壓變頻器作為高壓電動(dòng)機(jī)調(diào)速的主要手段,已經(jīng)得到了廣大工業(yè)企業(yè)的認(rèn)同,同時(shí)也被政府作為實(shí)施節(jié)能減排的手段之一進(jìn)行了積極的推廣[2]。

目前,在市場(chǎng)上應(yīng)用較多技術(shù)比較可靠的產(chǎn)品有兩電平電流源型高壓變頻器、三電平電壓源型高壓變頻器和單元串聯(lián)多電平高壓變頻器。其中,單元串聯(lián)式多電平技術(shù)已成為高壓變頻領(lǐng)域占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的一種技術(shù),被國(guó)內(nèi)外的大多數(shù)高壓變頻器廠家所采用[3]。

對(duì)于單元串聯(lián)多電平高壓變頻器,其功率單元的個(gè)數(shù)較多,在實(shí)際使用過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)某個(gè)或某幾個(gè)功率單元發(fā)生故障的情況[4-5]。一般來(lái)說(shuō),高壓變頻器的負(fù)載都是生產(chǎn)過(guò)程中非常重要的設(shè)備,即使發(fā)生故障也不希望停機(jī)。此時(shí),可以采用旁路技術(shù)將故障單元(先停止輸出電壓)從主電路當(dāng)中分離出去,而高壓變頻器在解決好電壓平衡的情況下可以降額運(yùn)行,在允許停機(jī)時(shí),修理或更換故障的單元。高壓變頻器功率單元的故障處理技術(shù)有兩種,一種是同級(jí)旁路技術(shù),另一種是中性點(diǎn)漂移技術(shù)。

中性點(diǎn)漂移技術(shù)最早由西門(mén)子(羅賓康)公司提出,但是其算法并沒(méi)有公開(kāi)。本文將對(duì)高壓變頻器功率單元的故障處理技術(shù)展開(kāi)討論,重點(diǎn)分析中性點(diǎn)漂移技術(shù),提出中性點(diǎn)漂移算法。

2 單元串聯(lián)式多電平高壓變頻器

此類(lèi)變頻器采用多個(gè)低壓的功率單元串聯(lián)實(shí)現(xiàn)高壓輸出,輸入側(cè)的降壓變壓器采用移相方式,可有效消除對(duì)電網(wǎng)的諧波污染,輸出側(cè)采用多電平正弦PWM技術(shù)可適用于任何電壓的普通電動(dòng)機(jī)[6-7]。另外,當(dāng)某個(gè)功率單元出現(xiàn)故障時(shí),可自動(dòng)退出系統(tǒng),而其余的功率單元可繼續(xù)保持電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行,減少停機(jī)時(shí)造成的損失。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),模塊出現(xiàn)故障時(shí)可迅速替換。其主要缺點(diǎn)是功率元器件數(shù)目多,體積較大。

2.1 功率單元

功率單元是整臺(tái)變頻器實(shí)現(xiàn)變壓變頻輸出的基本單元,每個(gè)功率單元都相當(dāng)于1臺(tái)交-直-交電壓型單相輸出的低壓變頻器。功率單元整流側(cè)用二極管三相全橋進(jìn)行不可控全波整流,中間采用電解電容濾波和儲(chǔ)能,輸出側(cè)為4只IGBT組成的H橋,提供單相等幅的交流PWM波形輸出電壓。功率單元電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 功率單元電路Fig.1 Power module circuit

2.2 功率單元串聯(lián)式結(jié)構(gòu)和基本原理

單元串聯(lián)式高壓變頻器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。假設(shè)單個(gè)功率單元的輸出電壓為U1,將5個(gè)這樣的功率單元串聯(lián)可得到5U1單相電壓,星形接法的線電壓為×5U1,三相共有15個(gè)功率單元,如圖3所示。

改變每相串聯(lián)單元數(shù)就可以得到不同電壓等級(jí)的高壓變頻器產(chǎn)品。變頻器總體輸出側(cè)電壓由每個(gè)單元的U,V相輸出串聯(lián)得到,雖然每個(gè)功率單元輸出的都是等幅PWM電壓波形,但相互間有確定的相位偏移,串聯(lián)疊加以后,在變頻器的輸出側(cè)可得正弦階梯狀PWM波形。單個(gè)功率單元的開(kāi)關(guān)頻率較小,但變頻器輸出電壓等效的開(kāi)關(guān)頻率卻很高,僅含少量的極高次諧波[3]。

圖2 高壓變頻器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of high voltage transducer

圖3 5級(jí)功率單元串聯(lián)連接圖Fig.3 5-power modules in series

3 功率單元故障時(shí)處理方法

功率單元旁路技術(shù)是在功率單元的輸出U,V相間設(shè)置一個(gè)旁路開(kāi)關(guān),當(dāng)高壓變頻器的控制系統(tǒng)檢測(cè)到某功率單元出現(xiàn)故障時(shí),即發(fā)出指令關(guān)閉該故障單元、使其停止輸出電壓,然后該單元的旁路開(kāi)關(guān)閉合,使與故障單元相鄰的2個(gè)單元連接起來(lái)。這樣,便完成該故障單元從主電路中分離出去的過(guò)程。

將故障功率單元旁路不影響變頻器輸出電流的額定值,但是其輸出電壓將會(huì)下降,即當(dāng)高壓變頻器的某個(gè)或數(shù)個(gè)功率單元因故障而被旁路時(shí),輸出相電壓將變得不平衡,從而諧波也相應(yīng)增大,勉強(qiáng)運(yùn)行將會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)損壞。同級(jí)旁路技術(shù)和中性點(diǎn)漂移技術(shù)均可解決功率單元旁路時(shí)電動(dòng)機(jī)電壓的平衡問(wèn)題。

3.1 同級(jí)旁路技術(shù)

同級(jí)旁路技術(shù)是高壓變頻器單相中的某個(gè)(或幾個(gè))功率單元因故障而被旁路時(shí),在其他兩相也旁路相應(yīng)數(shù)量的功率單元,即使這些單元并未發(fā)生故障。該方法雖然解決輸出電壓的平衡問(wèn)題,但是卻降低輸出電壓的容量。

例如,圖3中A相第5個(gè)功率單元發(fā)生故障時(shí),系統(tǒng)將自動(dòng)旁路功率單元A5,同時(shí)另外兩相中的功率單元B5和C5也被旁路,見(jiàn)圖4。每相的有效工作電壓由原來(lái)的100%降低到80%,即變頻器有效輸出載荷降低為額定負(fù)荷的80%。

圖4 正常單元旁路后變頻器輸出電壓平衡Fig.4 Converter voltage balance bypassing normal power modules

3.2 中性點(diǎn)漂移技術(shù)

因多電平高壓變頻器功率單元的“Y”形中性點(diǎn)是浮動(dòng)的,不與電動(dòng)機(jī)的中性點(diǎn)相連接,所以如果對(duì)各相功率單元電壓的相位角進(jìn)行調(diào)整,高壓變頻器輸出電壓的中性點(diǎn)允許偏離中性點(diǎn)。盡管當(dāng)故障單元旁路時(shí)三相串聯(lián)后的相電壓存在不平衡,但是高壓變頻器輸出到電動(dòng)機(jī)的三相線電壓仍然維持平衡。

4 中性點(diǎn)漂移算法的提出

4.1 數(shù)理分析

圖5為每相N個(gè)功率單元串聯(lián)運(yùn)行發(fā)生故障時(shí)的處理技術(shù),即中性點(diǎn)漂移和線電壓重新平衡的情況。圖5中,O′為故障后輸出電壓的中性點(diǎn),O為電動(dòng)機(jī)的中性點(diǎn),α,β,γ分別是CA相、AB相、BC相之間的相位夾角;記每個(gè)功率單元的相電壓幅值為1,那么每相相電壓幅值為=N×1=N;記發(fā)生故障以后每相正常運(yùn)行的功率單元個(gè)數(shù)分別為a,b,c,那么每相相電壓幅值分別為a,b,c,圖5中x是中性點(diǎn)漂移后的等效線電壓幅值。

圖5 中性點(diǎn)漂移示意圖Fig.5 Chart analysis on neutral point drifting

假設(shè)正常運(yùn)行時(shí)A相的初始相位差為0°,并記旁路后A相相位偏移角為θ1,∠CAO′=θ。過(guò)O′點(diǎn)做AO平行線A′O′,得A相偏移角θ1,則有:

根據(jù)三角形余弦公式:

將式(3)展開(kāi),代入式(2),得到

式(4)化簡(jiǎn)可得:

由式(5)即可計(jì)算出線電壓幅值x,再把x代入下式,可得:

而各相夾角可由以下公式計(jì)算:

記中性點(diǎn)漂移后各相相位角分別為 θA,θB,θC,那么

而中性點(diǎn)漂移后等效的相電壓幅值為

用U與U0的比值可以表示功率單元的利用效率η,即高壓變頻器的有效輸出載荷

4.2 特例分析

假設(shè)高壓變頻器每相串聯(lián)的功率單元數(shù)目N=5,表1為發(fā)生不同故障類(lèi)型下采用以上計(jì)算公式得到的各種理論數(shù)據(jù)值。其中,類(lèi)型1:A相1個(gè)單元故障;類(lèi)型2:B相1個(gè)單元故障,C相1個(gè)單元故障;類(lèi)型3:A相2個(gè)單元故障;類(lèi)型4:B相1個(gè)單元故障,C相2個(gè)單元故障;類(lèi)型5:B相2個(gè)單元故障,C相2個(gè)單元故障;類(lèi)型6:B相2個(gè)單元故障,C相3個(gè)單元故障。具體分析如下。

表1 理論計(jì)算值Tab.1 T heoretical analysis

1)當(dāng)A相的功率單元A3發(fā)生故障時(shí),系統(tǒng)將功率單元A3自動(dòng)旁路,根據(jù)三相電壓矢量疊加為零原理[8-9],運(yùn)用高速數(shù)字處理器按照以上算法進(jìn)行計(jì)算后,CA相和AB相的相位夾角從120°增加到126.4°,BC相相位夾角從120°減小到107.2°,在很短的時(shí)間內(nèi)完成相位角調(diào)整,如圖6所示。通過(guò)這樣幾何調(diào)整,三相線電壓仍舊可以構(gòu)成等邊三角形,電動(dòng)機(jī)得到平衡的線電壓。此時(shí),有93.3%單元投入使用,有效輸出載荷為額定負(fù)荷的92.9%,較同級(jí)旁路技術(shù)(有效輸出載荷為額定負(fù)荷的80%)高出12.9%,大大提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。

2)當(dāng)單相(例如A相)中有2個(gè)功率單元因故障而被旁路,同樣可有86.7%單元投入使用,CA相和AB相的相位夾角調(diào)整為 132.5°,BC相的相位夾角調(diào)整為 95°,高壓變頻器可提供85.8%的輸出電壓,較同級(jí)旁路技術(shù)(有效輸出載荷為額定負(fù)荷的60%)高出25.8%。

3)如果兩相中存在功率單元故障,如圖7所示B,C相分別存在1個(gè)、2個(gè)單元故障而被旁路,此時(shí),有80%的功率單元可使用,同時(shí)高壓變頻器輸出電壓為78.1%,較同級(jí)旁路技術(shù)(有效輸出載荷為額定負(fù)荷的60%)高出18.1%。

圖6 旁路1個(gè)功率單元Fig.6 Bypass one power module

圖7 旁路3個(gè)功率單元Fig.7 Bypass three power modules

4)當(dāng)兩相中有5個(gè)功率單元發(fā)生故障,如圖8所示B,C相分別存在2個(gè)、3個(gè)單元故障而被旁路,雖然單元星形點(diǎn)遠(yuǎn)離電機(jī)電壓的中性點(diǎn),但電機(jī)線電壓仍然平衡。此時(shí)有66.7%的功率單元繼續(xù)使用,提供電壓值為額定電壓值的50.3%,較同級(jí)旁路技術(shù)(有效輸出載荷為額定負(fù)荷的40%)高出10.3%。

綜上所述,如果在A,B,C三相中分別有若干個(gè)功率單元出現(xiàn)故障,中性點(diǎn)漂移技術(shù)都適用,該種理論算法清晰方便地計(jì)算出單元電壓的相位角和輸出線電壓值。

圖9黑點(diǎn)和圓圈分別表示采用中性點(diǎn)漂移技術(shù)和同級(jí)旁路技術(shù)處理故障單元時(shí)候的有效輸出載荷?？梢?jiàn),中性點(diǎn)漂移技術(shù)處理功率單元故障的有效輸出載荷比同級(jí)旁路技術(shù)的有效輸出載荷大。

圖8 旁路5個(gè)功率單元Fig.8 Bypass five power modules

圖9 有效輸出載荷的比較Fig.9 Comparison of effective output power

需要指出的是,上述的角度 θ1,α,β,γ是由具體故障類(lèi)型決定的。例如,同樣是5個(gè)功率單元發(fā)生故障,如果是A,B相分別存在2個(gè)、3個(gè)單元故障而被旁路,此時(shí)α,β,γ,θ1 分別是120°,60°,180°,-53.4°,與表 1中第6種故障類(lèi)型的情況并不一致。

5 中性點(diǎn)漂移算法的驗(yàn)證

按照?qǐng)D2所示的結(jié)構(gòu)建立單元串聯(lián)式高壓變頻器的Matlab/Simulink仿真模型,以驗(yàn)證上述公式中性點(diǎn)漂移算法的正確性。

假設(shè)負(fù)載的額定電壓為6 000 V,額定相電壓為3 450V,那么要求每個(gè)功率單元的輸出電壓為690V,故可記基準(zhǔn)電壓Ub=690V。由于本仿真只涉及電壓的幅值和相位,不涉及諧波分析,因此圖2中的功率單元用單相交流電源(輸出電壓幅值為690V)等效,這樣處理并不會(huì)影響仿真的有效性。

假設(shè)中性點(diǎn)發(fā)生漂移后,記A相的角度為0°,將理論上計(jì)算出來(lái)的CA相的相位夾角α,AB相的相位夾角β,BC相的相位夾角γ輸入仿真模型中,經(jīng)過(guò)運(yùn)行,測(cè)量得到中性點(diǎn)漂移后各相的相電壓值U。例如:假設(shè)某個(gè)時(shí)候,A相有2個(gè)功率單元故障,此時(shí)按照中性點(diǎn)漂移技術(shù)的理論計(jì)算值如表 1 所示,α,β,γ分別是 132.542 4°,132.542 4°和94.915 2°。那么,在模型中輸入A相 3個(gè)單元的相位角為 0°,B相 5個(gè)單元的相位角為-132.542 4°,C相5個(gè)單元相位角為132.542 4°,測(cè)得U=4.254。

圖10為A相2個(gè)功率單元故障被旁路、沒(méi)有采用中性點(diǎn)漂移技術(shù)調(diào)整各相相位角的仿真結(jié)果。由圖10可知三相線電壓幅值不相等,測(cè)得它們的相位夾角分別是 128.21°,128.20°和 103.59°,并不是三相對(duì)稱(chēng)電壓,因此會(huì)造成電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速脈動(dòng),勉強(qiáng)運(yùn)行將會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)損壞。

圖10 未采用中性點(diǎn)漂移技術(shù)的仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results without neutral point drifting

圖11為相同類(lèi)型的故障發(fā)生時(shí),采用中性點(diǎn)漂移技術(shù)調(diào)整各相相位角后的仿真結(jié)果。如圖11所示,此時(shí)三相線電壓為對(duì)稱(chēng)電壓,線電壓幅值為5 084 V,各線電壓相位互差120°?？芍邏鹤冾l器可以降額繼續(xù)運(yùn)行,有效輸出載荷為額定負(fù)荷的85.8%。

圖11 采用中性點(diǎn)漂移技術(shù)的仿真結(jié)果Fig.11 Simulation results with neutral point drifting

表2為各種故障類(lèi)型下相電壓幅值U的仿真數(shù)據(jù)值(故障類(lèi)型同表1),將仿真數(shù)據(jù)值與表1理論值比較,可知兩者只存在著微小誤差,故證明中性點(diǎn)漂移理論計(jì)算公式的正確性。

需要指出的是,在實(shí)際運(yùn)行中,幾個(gè)功率單元同時(shí)發(fā)生故障的可能性不大,即故障單元個(gè)數(shù)越多,發(fā)生的概率越小。

表2 仿真數(shù)據(jù)值T ab.2 Simulation data

6 結(jié)論

功率單元串聯(lián)式多電平高壓變頻器,是目前備受廣大企業(yè)青睞的主流技術(shù)。對(duì)于功率單元損壞問(wèn)題,中性點(diǎn)漂移技術(shù)無(wú)疑是解決故障的最優(yōu)方法,可以減小功率損失,提高輸出載荷。本文通過(guò)理論研究、數(shù)理分析推導(dǎo)出了應(yīng)用中性點(diǎn)漂移技術(shù)計(jì)算功率單元故障時(shí)相電壓的初始值的簡(jiǎn)便算法。應(yīng)用該算法,可以調(diào)整各相功率單元電壓的相位角,使輸出到電動(dòng)機(jī)的三相線電壓仍然維持平衡,從而讓變頻器能夠以最優(yōu)輸出載荷繼續(xù)運(yùn)行。

采用文中提出的中性點(diǎn)漂移算法,可以解決單元串聯(lián)式多電平高壓變頻器功率單元故障時(shí),如何以最優(yōu)方式降額運(yùn)行的問(wèn)題,對(duì)于提高我國(guó)高壓變頻器行業(yè)的技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量具有十分重要的意義。

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修改稿日期:2010-06-15