一、 引言

低壓變頻器已經(jīng)取得企業(yè)界的認(rèn)可，正在走向大面積普及之路。高壓變頻器市場正在啟動(dòng)，前景十分好，以前這一產(chǎn)品完全依賴進(jìn)口，近幾年，隨著人們對(duì)高壓變頻器的認(rèn)識(shí)越來越深入，市場需求迅速增加。國內(nèi)變頻器生產(chǎn)商奮起直追，已涌現(xiàn)出幾個(gè)品牌。我公司是開始研制高壓變頻器較早的單位之一， 6000V級(jí)的高壓變頻器已有多臺(tái)正在正常運(yùn)轉(zhuǎn)，通過了天津發(fā)配電及電控設(shè)備檢測所和國家電控配電設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的檢驗(yàn)，通過了由院士和國內(nèi)著名專家組成的鑒定委員會(huì)的鑒定，鑒定證書中高度評(píng)價(jià)了設(shè)備的先進(jìn)性和創(chuàng)新性。在2002年年底我公司接到萬伏變頻器的訂單，該變頻器已于是2003年3月交付使用，現(xiàn)在運(yùn)行良好?，F(xiàn)把研制中的一些關(guān)鍵技術(shù)問題和解決辦法奉獻(xiàn)給讀者，以期得到專家、用戶和朋友的指教。

二 方案選擇

客戶要求的主要技術(shù)指標(biāo)是：

10000V，355KW，額定電流為25.5A，負(fù)載為水泵。

高壓變頻器的制造遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于社會(huì)的需求，全世界都是這樣。瓶頸在于功率器件耐壓不夠，這是制約高壓變頻器發(fā)展的主要因素。為此，科學(xué)家們提出了很多解決方案，例如，高-低-高方案、功率器件直接串聯(lián)方案、三電平-多電平方案、功率單元串聯(lián)方案等等。我公司生產(chǎn)的6000V變頻器用的是功率單元串聯(lián)方案，效果很好，10000V變頻器仍然選這種方案，其理由是：

a、輸出電平數(shù)多，因此輸出波形特別好，能適合普通異步電動(dòng)機(jī)，且不必降額使用。

b、所需IGBT數(shù)量大，但對(duì)耐壓要求不高，功率器件不存在均壓問題。

c、輸入整流電路的脈沖數(shù)大，對(duì)電網(wǎng)污染小，功率因數(shù)高。

d、功率單元數(shù)量大，這是個(gè)大缺點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)完全一樣，可以互換，這對(duì)生產(chǎn)、調(diào)試、留備用件等都來了很大方便。

e、技術(shù)已經(jīng)掌握，已有成功經(jīng)驗(yàn)，可靠性有保證。

三 系統(tǒng)原理

功率單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)，如圖1所示，以每相9單元為例。

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圖1 27個(gè)功率單元串聯(lián)圖

功率單元為三相50Hz輸入，通過交—直—交變換，得到SPWM單相輸出的變頻器，多個(gè)單元相串聯(lián)后組成Y型結(jié)構(gòu)。單元的三相輸入由副邊多重化隔離變壓器供給，如圖2所示。

（一） 電路結(jié)構(gòu)

1、單元數(shù)和功率器件的選擇

線電壓10000V，相電壓5773V，若每相由9個(gè)單元串聯(lián)，每個(gè)單元的的輸出為641.5V（有效值）。用戶要求的額定容量小，最終選用了西門子雙單元IGBT模塊為功率器件。

2、輸入隔離變壓器的設(shè)計(jì)

為繞制方便，采用18相整流，輸入電流諧波已能滿足電磁兼容要求。變壓器輸入側(cè)采用星形接法。輸入變壓器與功率單元的連接示意圖如圖2所示。

圖2 輸入變壓器與功率單元聯(lián)接示意圖

這種整流結(jié)構(gòu)能夠保證輸入電流的諧波成份滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和IEEE519的規(guī)定和要求。當(dāng)然相位組還可以更多一些，例如采用30或36脈沖整流電路結(jié)構(gòu)，不過那樣就大大增加了變壓器繞制工藝的難度。

3．功率單元主電路

功率單元主電路結(jié)構(gòu)是典型的三相輸入單相輸出電路，如圖3所示。

圖3 功率單元主電路

（1）由于電解電容上的交流成分和高頻成分比較大，實(shí)際并有無感電容（圖中未畫），可以減少交流成分和高頻成分，從而減少電解電容的負(fù)擔(dān)，以提高電解電容的壽命。

（2） 單相輸出有晶閘管旁路電路，正常工作時(shí)晶閘管不導(dǎo)通，當(dāng)該單元發(fā)生故障時(shí)，晶閘管導(dǎo)通，該單元退出運(yùn)行，其它單元還可繼續(xù)工作，因而整機(jī)可以避免緊急停機(jī)。

圖4功率單元主電路工作之波形

在工作方式上，采用單臂（IGBT1、IGBT2）PWM調(diào)制，另一臂（IGBT3、IGBT4）上下管輪流導(dǎo)通，波形見圖4，整體原理方案如圖2所示，總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 總體結(jié)構(gòu)圖

（二）控制系統(tǒng)及其優(yōu)化

87C196MC是變頻器中常用的，在本設(shè)計(jì)中仍然選它為主控器件，每個(gè)單元配有51單片機(jī)作為輔機(jī)。單片機(jī)資源有限，設(shè)計(jì)中必須精打細(xì)算、注意優(yōu)化。

1、 控制系統(tǒng)的電源

控制系統(tǒng)有一套獨(dú)立的電源子系統(tǒng)，其構(gòu)成如圖6所示：

圖6 控制系統(tǒng)電源

220V市電經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓得到一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓，再由一個(gè)高頻振蕩器得到幅度穩(wěn)定的高頻信號(hào)，由一系列高頻變壓器及相應(yīng)的整流、濾波送到各單元的控制及驅(qū)動(dòng)電路。

控制系統(tǒng)電源獨(dú)立的好處是：

1）電源通過高頻變壓器給各單元供電，容易實(shí)現(xiàn)高壓隔離。

2）主電路有故障時(shí)，控制系統(tǒng)供電依然正常，能保證IGBT開關(guān)次序不亂。

3）主電路不加電、不加載的情況下，可以對(duì)整機(jī)進(jìn)行調(diào)試，此時(shí)各點(diǎn)波形與主電路加電、加載時(shí)完全一樣，只是輸出電壓幅度小。這對(duì)設(shè)備調(diào)試、檢修和操作人員的培訓(xùn)十分方便。

2、提高電壓利用率的優(yōu)化

SPWM理論指出，采用平均對(duì)稱規(guī)則采樣調(diào)制方法所得到的三相變頻輸出線電壓的基波振幅最大為 aEd， 式中a為調(diào)制度，Ed為直流母線電壓。為了校正SPWM調(diào)制的這種缺陷，本設(shè)計(jì)采用了準(zhǔn)優(yōu)化PWM調(diào)制，調(diào)制信號(hào)不是純正弦信號(hào)，而是基波和三次諧波的疊加。其波形呈馬鞍狀，這實(shí)際上是一種預(yù)畸變技術(shù)。

設(shè)調(diào)制信號(hào)為G（t）

G（t）=a（sin 1t+1/6 sin3 1t）

式中a為調(diào)制度，ω1為基波角頻率。當(dāng)調(diào)制信號(hào)相角為60o和120o時(shí)，調(diào)制度最大。PWM波經(jīng)過這樣的預(yù)畸變，電壓利用率可提高15%。

（1+15%）≈99.59%

這就是說三相線電壓的基波幅度已經(jīng)十分接近逆變器的直流母線電壓，電壓利用率近似為1。圖7給出了有、無預(yù)畸變的波形對(duì)比。

圖7 有、無預(yù)畸變的波形對(duì)比

三次諧波在三相平衡輸出中會(huì)自動(dòng)相互抵消，不會(huì)增加輸出的失真度。

3、載波相移技術(shù)

采用功率單元串聯(lián)實(shí)現(xiàn)高壓變頻器，控制方式一般有兩種：

（1）堆波方式 （2）載波移相技術(shù)

堆波方法控制，實(shí)現(xiàn)較簡單，波形質(zhì)量也比較好，功率器件開關(guān)次數(shù)少，開關(guān)損耗小，但它存在兩個(gè)缺點(diǎn)：

（1） 串聯(lián)的各單元承擔(dān)的功率不一致。

（2） 變壓器各付邊繞組承擔(dān)的功率不一致。

載波移相技術(shù)可以得到良好的輸出波形，它克服了堆波方法的兩個(gè)缺點(diǎn)，雖然功率器件開關(guān)次數(shù)較堆波方法多，但在整機(jī)中開關(guān)損耗并非突出矛盾，因此我們采用了這種控制方式。

將調(diào)制信號(hào)和載波信號(hào)的頻率固定不變，調(diào)制信號(hào)的相位也固定，把單元1的載波相位取為基準(zhǔn)，單元2、3、～８、９的載波相位依次后延1/９載波周期。載波頻率等效提高了９倍，而在同一時(shí)刻只有一個(gè)單元有開關(guān)動(dòng)作，９單元串聯(lián)后dv/dt仍然同于一個(gè)單元的dv/dt，串聯(lián)后總輸出的基波成份相疊加，而各單元的諧波成分卻相互抵消而變得很小，這是該項(xiàng)技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)所在。

另外，這種控制方式，串聯(lián)的各單元承擔(dān)的功率都相等，隔離變壓器的各付邊繞組承擔(dān)的功率也都相等，各個(gè)單元的結(jié)構(gòu)與控制電路也都完全相同。

4、正弦波的階梯化模型

９個(gè)單元的載波應(yīng)該分別與同一調(diào)制信號(hào)相比較，那么９個(gè)PWM脈沖的寬度變化就更精細(xì)的反映了調(diào)制信號(hào)的幅度變化，但這樣就使采樣數(shù)據(jù)量比一個(gè)單元的采樣數(shù)據(jù)量擴(kuò)大了９倍，使CPU（87C196MC）難于承受，更重要的是輸出端口不夠用，這是必須解決的難題。在本設(shè)計(jì)中解決的辦法是只讓1個(gè)單元負(fù)責(zé)采樣，而其它單元都使用這個(gè)采樣值，這實(shí)際上是假設(shè)：當(dāng)?shù)谝粋€(gè)單元采樣之后，第2、3、～８、９單元應(yīng)該采樣的這段時(shí)間里，調(diào)制信號(hào)沒有變化，正弦調(diào)制信號(hào)被模型化成了階梯波信號(hào)，見圖8。采用這種近似方法使載波移相控制方便地實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化。

用兩種角度來分析這種模型化的誤差：

圖8 正弦波模型化成階梯波

a）要求階梯波與其原型正弦波面積相等。如圖8所示。

前1/4周期，階梯波的面積小于原正弦波。后1/4周期，階梯波面積大于原正弦波，不難看出，增大部分正好等于減小部分，從整個(gè)半周來看，正弦波與其階梯波面積相差甚微，由此可得出結(jié)論，模型化所帶來的面積誤差不大，只是階梯波比原正弦波延遲了半個(gè)載波周期，A、B、C三相都延遲半個(gè)載波周期，三相輸出的相位關(guān)系無任何變化。

b）從諧波的角度來分析。

前面誤差不大的說法是一種平均的觀點(diǎn)，階梯波必然包含諧波成分，失真是肯定的。經(jīng)過數(shù)學(xué)運(yùn)算推導(dǎo)，按本設(shè)計(jì)中的參數(shù)計(jì)算，THD≈3.63% 。這就是正弦波模型化成階梯波的附加失真。階梯波的有效值與原正旋波相等，而階梯波的基波分量與原正弦波非常相近，主諧波遠(yuǎn)高于基波。這就決定了這種波形完全適用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而不會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。從后來樣機(jī)實(shí)際運(yùn)行的結(jié)果來看，完全證明了這一方案是合理的。

5 控制信號(hào)的傳輸

為了系統(tǒng)的可靠性，防止大電壓和大電流跳變對(duì)控制信號(hào)的干擾，控制信號(hào)采用光纖傳輸。各單元的控制信號(hào)是多通道并行傳輸，減少信號(hào)的中間處理環(huán)節(jié)。實(shí)用效果很好。

四 用戶操作監(jiān)控系統(tǒng)

面向用戶的整個(gè)操作監(jiān)控系統(tǒng)包括上位機(jī)（商用PC機(jī)）、下位機(jī)（工控機(jī)）、單片機(jī)，如圖9所示。其中單片機(jī)給用戶提供一個(gè)4位LED數(shù)碼屏和一個(gè)12鍵的小鍵盤操作平臺(tái)，可對(duì)變頻器進(jìn)行全部操作，包括參數(shù)設(shè)置和各種運(yùn)行指令。工控機(jī)用觸摸屏和通用鍵盤給用戶提供操作平臺(tái)。其功能更齊全，包括參數(shù)設(shè)定、功能設(shè)定、運(yùn)行操作、運(yùn)行數(shù)據(jù)與打印、故障查詢等等。上位機(jī)（商用PC機(jī)）放在總控室，可對(duì)多臺(tái)變頻器進(jìn)行遙測、遙控。若只有一臺(tái)變頻器，上位機(jī)可省。

圖9 操作監(jiān)控系統(tǒng)

工控機(jī)功能強(qiáng)大，用文字?jǐn)⑹龊苜M(fèi)筆墨，這里僅示出一個(gè)主界面，見圖10。由圖看出其功能之齊全和操作的方便性。例如可查看或打印運(yùn)行參數(shù)的歷史記錄，可查詢故障原因等等。

圖10 觸摸屏上的主界面

五、運(yùn)行情況及研制總結(jié)

對(duì)用戶進(jìn)行跟蹤服務(wù)，用戶反饋的信息是運(yùn)行良好。

對(duì)幾臺(tái)樣機(jī)的研制工作，公司進(jìn)行了認(rèn)真的總結(jié)，我們的結(jié)論是：

1 原理正確，結(jié)構(gòu)合理。

2 軟件運(yùn)行良好，功能基本齊全。

3 控制系統(tǒng)的電源有自己的特點(diǎn)，在主回路不加電、不加載（開路）的情況下，可為控制系統(tǒng)加電，這時(shí)各點(diǎn)波形與主回路加電、加載情況下的波形完全一樣。因而，可在不加電、不加載的情況下調(diào)試系統(tǒng)、培訓(xùn)操作人員，也給現(xiàn)場安裝、調(diào)試、維修帶來方便。

4 采用正弦波的階梯化模型的近似方法，使載波移相技術(shù)方便地實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化，使單片機(jī)的有限資源得到了充分發(fā)揮。
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