單元串聯式高壓變頻器功率單元故障處理技術的研究

汪偉,蔡慧,陳衛民,孫冠群

(中國計量學院 機電工程學院,浙江 杭州 310018)

1 引言

交流電機變頻調速是當今節約電能,改善生產工藝流程,提高產品質量,以及改善運行環境的一種重要手段[1]。高壓變頻器作為高壓電動機調速的主要手段,已經得到了廣大工業企業的認同,同時也被政府作為實施節能減排的手段之一進行了積極的推廣[2]。

目前,在市場上應用較多技術比較可靠的產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多電平高壓變頻器。其中,單元串聯式多電平技術已成為高壓變頻領域占有絕對優勢的一種技術,被國內外的大多數高壓變頻器廠家所采用[3]。

對于單元串聯多電平高壓變頻器,其功率單元的個數較多,在實際使用過程中可能會出現某個或某幾個功率單元發生故障的情況[4-5]。一般來說,高壓變頻器的負載都是生產過程中非常重要的設備,即使發生故障也不希望停機。此時,可以采用旁路技術將故障單元(先停止輸出電壓)從主電路當中分離出去,而高壓變頻器在解決好電壓平衡的情況下可以降額運行,在允許停機時,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有兩種,一種是同級旁路技術,另一種是中性點漂移技術。

中性點漂移技術最早由西門子(羅賓康)公司提出,但是其算法并沒有公開。本文將對高壓變頻器功率單元的故障處理技術展開討論,重點分析中性點漂移技術,提出中性點漂移算法。

2 單元串聯式多電平高壓變頻器

此類變頻器采用多個低壓的功率單元串聯實現高壓輸出,輸入側的降壓變壓器采用移相方式,可有效消除對電網的諧波污染,輸出側采用多電平正弦PWM技術可適用于任何電壓的普通電動機[6-7]。另外,當某個功率單元出現故障時,可自動退出系統,而其余的功率單元可繼續保持電動機的運行,減少停機時造成的損失。系統采用模塊化設計,模塊出現故障時可迅速替換。其主要缺點是功率元器件數目多,體積較大。

2.1 功率單元

功率單元是整臺變頻器實現變壓變頻輸出的基本單元,每個功率單元都相當于1臺交-直-交電壓型單相輸出的低壓變頻器。功率單元整流側用二極管三相全橋進行不可控全波整流,中間采用電解電容濾波和儲能,輸出側為4只IGBT組成的H橋,提供單相等幅的交流PWM波形輸出電壓。功率單元電路結構如圖1所示。

圖1 功率單元電路Fig.1 Power module circuit

2.2 功率單元串聯式結構和基本原理

單元串聯式高壓變頻器的結構如圖2所示。假設單個功率單元的輸出電壓為U1,將5個這樣的功率單元串聯可得到5U1單相電壓,星形接法的線電壓為×5U1,三相共有15個功率單元,如圖3所示。

改變每相串聯單元數就可以得到不同電壓等級的高壓變頻器產品。變頻器總體輸出側電壓由每個單元的U,V相輸出串聯得到,雖然每個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,串聯疊加以后,在變頻器的輸出側可得正弦階梯狀PWM波形。單個功率單元的開關頻率較小,但變頻器輸出電壓等效的開關頻率卻很高,僅含少量的極高次諧波[3]。

圖2 高壓變頻器結構示意圖Fig.2 Structure of high voltage transducer

圖3 5級功率單元串聯連接圖Fig.3 5-power modules in series

3 功率單元故障時處理方法

功率單元旁路技術是在功率單元的輸出U,V相間設置一個旁路開關,當高壓變頻器的控制系統檢測到某功率單元出現故障時,即發出指令關閉該故障單元、使其停止輸出電壓,然后該單元的旁路開關閉合,使與故障單元相鄰的2個單元連接起來。這樣,便完成該故障單元從主電路中分離出去的過程。

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下降,即當高壓變頻器的某個或數個功率單元因故障而被旁路時,輸出相電壓將變得不平衡,從而諧波也相應增大,勉強運行將會導致電動機損壞。同級旁路技術和中性點漂移技術均可解決功率單元旁路時電動機電壓的平衡問題。

3.1 同級旁路技術

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

例如,圖3中A相第5個功率單元發生故障時,系統將自動旁路功率單元A5,同時另外兩相中的功率單元B5和C5也被旁路,見圖4。每相的有效工作電壓由原來的100%降低到80%,即變頻器有效輸出載荷降低為額定負荷的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 中性點漂移技術

因多電平高壓變頻器功率單元的“Y”形中性點是浮動的,不與電動機的中性點相連接,所以如果對各相功率單元電壓的相位角進行調整,高壓變頻器輸出電壓的中性點允許偏離中性點。盡管當故障單元旁路時三相串聯后的相電壓存在不平衡,但是高壓變頻器輸出到電動機的三相線電壓仍然維持平衡。

4 中性點漂移算法的提出

4.1 數理分析

圖5為每相N個功率單元串聯運行發生故障時的處理技術,即中性點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,O為電動機的中性點,α,β,γ分別是CA相、AB相、BC相之間的相位夾角;記每個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;記發生故障以后每相正常運行的功率單元個數分別為a,b,c,那么每相相電壓幅值分別為a,b,c,圖5中x是中性點漂移后的等效線電壓幅值。

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

假設正常運行時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O′點做AO平行線A′O′,得A相偏移角θ1,則有:

根據三角形余弦公式:

將式(3)展開,代入式(2),得到

式(4)化簡可得:

由式(5)即可計算出線電壓幅值x,再把x代入下式,可得:

而各相夾角可由以下公式計算:

記中性點漂移后各相相位角分別為 θA,θB,θC,那么

而中性點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

假設高壓變頻器每相串聯的功率單元數目N=5,表1為發生不同故障類型下采用以上計算公式得到的各種理論數據值。其中,類型1:A相1個單元故障;類型2:B相1個單元故障,C相1個單元故障;類型3:A相2個單元故障;類型4:B相1個單元故障,C相2個單元故障;類型5:B相2個單元故障,C相2個單元故障;類型6:B相2個單元故障,C相3個單元故障。具體分析如下。

表1 理論計算值Tab.1 T heoretical analysis

1)當A相的功率單元A3發生故障時,系統將功率單元A3自動旁路,根據三相電壓矢量疊加為零原理[8-9],運用高速數字處理器按照以上算法進行計算后,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°,在很短的時間內完成相位角調整,如圖6所示。通過這樣幾何調整,三相線電壓仍舊可以構成等邊三角形,電動機得到平衡的線電壓。此時,有93.3%單元投入使用,有效輸出載荷為額定負荷的92.9%,較同級旁路技術(有效輸出載荷為額定負荷的80%)高出12.9%,大大提高系統的安全性和可靠性。

2)當單相(例如A相)中有2個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相的相位夾角調整為 132.5°,BC相的相位夾角調整為 95°,高壓變頻器可提供85.8%的輸出電壓,較同級旁路技術(有效輸出載荷為額定負荷的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、2個單元故障而被旁路,此時,有80%的功率單元可使用,同時高壓變頻器輸出電壓為78.1%,較同級旁路技術(有效輸出載荷為額定負荷的60%)高出18.1%。

圖6 旁路1個功率單元Fig.6 Bypass one power module

圖7 旁路3個功率單元Fig.7 Bypass three power modules

4)當兩相中有5個功率單元發生故障,如圖8所示B,C相分別存在2個、3個單元故障而被旁路,雖然單元星形點遠離電機電壓的中性點,但電機線電壓仍然平衡。此時有66.7%的功率單元繼續使用,提供電壓值為額定電壓值的50.3%,較同級旁路技術(有效輸出載荷為額定負荷的40%)高出10.3%。

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

圖9黑點和圓圈分別表示采用中性點漂移技術和同級旁路技術處理故障單元時候的有效輸出載荷。可見,中性點漂移技術處理功率單元故障的有效輸出載荷比同級旁路技術的有效輸出載荷大。

圖8 旁路5個功率單元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是由具體故障類型決定的。例如,同樣是5個功率單元發生故障,如果是A,B相分別存在2個、3個單元故障而被旁路,此時α,β,γ,θ1 分別是120°,60°,180°,-53.4°,與表 1中第6種故障類型的情況并不一致。

5 中性點漂移算法的驗證

按照圖2所示的結構建立單元串聯式高壓變頻器的Matlab/Simulink仿真模型,以驗證上述公式中性點漂移算法的正確性。

假設負載的額定電壓為6 000 V,額定相電壓為3 450V,那么要求每個功率單元的輸出電壓為690V,故可記基準電壓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,這樣處理并不會影響仿真的有效性。

假設中性點發生漂移后,記A相的角度為0°,將理論上計算出來的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,經過運行,測量得到中性點漂移后各相的相電壓值U。例如:假設某個時候,A相有2個功率單元故障,此時按照中性點漂移技術的理論計算值如表 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個單元的相位角為 0°,B相 5個單元的相位角為-132.542 4°,C相5個單元相位角為132.542 4°,測得U=4.254。

圖10為A相2個功率單元故障被旁路、沒有采用中性點漂移技術調整各相相位角的仿真結果。由圖10可知三相線電壓幅值不相等,測得它們的相位夾角分別是 128.21°,128.20°和 103.59°,并不是三相對稱電壓,因此會造成電機轉矩、轉速脈動,勉強運行將會導致電動機損壞。

圖10 未采用中性點漂移技術的仿真結果Fig.10 Simulation results without neutral point drifting

圖11為相同類型的故障發生時,采用中性點漂移技術調整各相相位角后的仿真結果。如圖11所示,此時三相線電壓為對稱電壓,線電壓幅值為5 084 V,各線電壓相位互差120°。可知高壓變頻器可以降額繼續運行,有效輸出載荷為額定負荷的85.8%。

圖11 采用中性點漂移技術的仿真結果Fig.11 Simulation results with neutral point drifting

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

需要指出的是,在實際運行中,幾個功率單元同時發生故障的可能性不大,即故障單元個數越多,發生的概率越小。

表2 仿真數據值T ab.2 Simulation data

6 結論

功率單元串聯式多電平高壓變頻器,是目前備受廣大企業青睞的主流技術。對于功率單元損壞問題,中性點漂移技術無疑是解決故障的最優方法,可以減小功率損失,提高輸出載荷。本文通過理論研究、數理分析推導出了應用中性點漂移技術計算功率單元故障時相電壓的初始值的簡便算法。應用該算法,可以調整各相功率單元電壓的相位角,使輸出到電動機的三相線電壓仍然維持平衡,從而讓變頻器能夠以最優輸出載荷繼續運行。

采用文中提出的中性點漂移算法,可以解決單元串聯式多電平高壓變頻器功率單元故障時,如何以最優方式降額運行的問題,對于提高我國高壓變頻器行業的技術水平和產品質量具有十分重要的意義。

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修改稿日期:2010-06-15