功率單元串聯(lián)方案變頻器提高可靠性的研究

何靜

摘 要： 多電平結(jié)構(gòu)的變頻器有諸多優(yōu)勢，如多重化整流、多電平輸出，適用于普通電機，對電纜長度無要求，功率因數(shù)高等，但其單元數(shù)量眾多，從可靠性上考慮，故障概率較高，在有些高可靠性需求的現(xiàn)場對變頻器的可靠性提出99.99%的要求，如何提高多電平變頻系統(tǒng)可靠性是一個研究方向，本文就有效提高設(shè)備可靠性進(jìn)行介紹。

關(guān)鍵詞： 多電平變頻器;單元旁路;風(fēng)機冗余;智能提示;涌流抑制

【中圖分類號】TN77 ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A ? ? 【文章編號】1674-3733（2020）05-0125-02

1 多電平變頻器原理概述

高壓變頻器輸出電壓通常來自于數(shù)個輸出電壓（功率單元）疊加，為說明高壓變頻器輸出電壓的組成，本文現(xiàn)以高壓變頻器6kV電壓疊加（5級功率單元）原理為例對此進(jìn)行如下闡述。

假設(shè)：6kV電網(wǎng)電壓，且功率單元輸入電壓即變壓器副邊輸出電壓690V，那么輸出電壓峰值（所有功率單元）同樣是690V，因此我們只要串聯(lián)同相的5個單元即可獲得如下相電壓：

690V×5=3450V

因為其所采用的是三相星型連接，因此有如下線電壓：

1.732×3450V≈6000V

由此可以看出此值滿足電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)。

階梯正弦PWM波形具有許多優(yōu)勢，比如du/dt小，有比較理想的正弦度，對電纜、電動機絕緣有一定的保護(hù)功能;輸出濾波器保持不變即能顯著延長輸出電纜;在設(shè)備升級過程中，無需降額使用電機即能發(fā)揮相關(guān)功能;可以顯著減少電機諧波損耗，將由此導(dǎo)致的機械振動消除，傳動部分與軸承機械應(yīng)力均會因此而出現(xiàn)一定程度弱化。階梯正弦PWM波形獲取并不難，通過功率單元串聯(lián)即能獲得。

所以對此類變頻系統(tǒng)可靠性提高提出了更高的要求，經(jīng)綜合分析，影響變頻系統(tǒng)可靠性的主要是單元和風(fēng)機散熱系統(tǒng)。

2 可靠性提升優(yōu)化建議方案

2.1 單元模塊旁路作用。將接觸器安裝配置在功率單元輸出端即可形成接觸器式功率單元旁路。某一功率單元的故障只要被變頻器控制機測獲，其即能將旁路指令發(fā)出，就此閉合有關(guān)接觸器，切斷電路與故障單元的輸出，連接起毗鄰故障單元的兩個單元，從輸出電路內(nèi)迅速分離故障單元，隨之重啟變頻器、降額運行。

中性點漂移技術(shù)：變頻器的電流容量不會受到故障單元旁路干擾，這是因為其各相單元全部采用串聯(lián)策略連接，但會降低電壓容量。為最大限度地使用剩余單元所提供的電壓容量，本旁路系統(tǒng)采用的是先進(jìn)的中性點漂移技術(shù)。該技術(shù)只旁路故障單元，利用所有剩下單元來提高輸出線電壓。

變頻器輸出三相單元中性點不會吻合電動機中性點，也就是說二者可以處于偏離狀態(tài)，這主要是因為二者并未連接起來，而且變頻器輸出三相單元中性點是浮動的。平衡的電機電壓通常能以單元電壓的相位角調(diào)節(jié)為前提而被獲得。其原理如下圖1所示。

當(dāng)三相剩余單元數(shù)分別為a、b、c個時，可以調(diào)整三相之間的相角α，β，γ，從而得到平衡的輸出線電壓。

中性點漂移和同級旁路技術(shù)輸出線電壓容量對比如圖2所示。

對于8級串聯(lián)型高壓變頻器，當(dāng)一相上出現(xiàn)一個單元損壞時，同級旁路技術(shù)僅提供87.5%的輸出電壓容量，而中性點漂移技術(shù)可以提供95.6%的輸出線電壓容量，對應(yīng)最大輸出頻率為47.8Hz，可以滿足現(xiàn)場工藝需求。

2.2 風(fēng)機冗余配置。對于多電平方案的變頻系統(tǒng)，功率單元數(shù)量較多，考慮安全可靠性，配置單元旁路可滿足可靠性提升的要求，另外運行中需維護(hù)的就是散熱風(fēng)機系統(tǒng)，變頻器自身通過選擇一流風(fēng)機廠商產(chǎn)品，提高可靠性，另一方面，風(fēng)機設(shè)計上針對本項目配置冗余功能，并通過專門的機械結(jié)構(gòu)防止風(fēng)短路，并有專門的PLC做所有風(fēng)機的狀態(tài)判斷和邏輯控制。使變頻器的可靠性進(jìn)一步提高。保證系統(tǒng)可達(dá)到長期可靠運行的要求。通過上述配置，保證風(fēng)機在故障時，變頻器運行不受任何影響。大大提高了整機的可靠性。

2.3 變頻器配置涌流抵制系統(tǒng)。針對該項目，榮信公司選用的隔離變壓器為干式變壓器。輸入電壓為10kV，容量選定是依據(jù)招標(biāo)要求整個變頻驅(qū)動系統(tǒng)過載能力，同時考慮電機效率（注電機功率因數(shù)電壓源變頻器可以不與考慮）、變頻器效率等因素后核算出來的，且干式變壓器具有長壽命免維護(hù)的特點。

（1）勵磁涌流：變壓器鐵芯在排除外部故障后電壓恢復(fù)或變壓器空載合閘條件下將會嚴(yán)重飽和，磁通（鐵芯內(nèi)）無法突變是其主要原因。強大的沖擊電流會因此而在變壓器線圈中出現(xiàn)，這就是所謂勵磁涌流。變壓器鐵芯飽和程度會顯著影響到勵磁涌流大小，二者之間呈正相關(guān)關(guān)系。勵磁涌流幅值通常會6-8倍于變壓器額定電流，勵磁涌流不會直接損害到變壓器本身，但其繼保設(shè)備會因此而出現(xiàn)誤操作?；谛侍嵘枰笕萘孔儔浩魍ǔＳ袠O高的工作磁通密度，勵磁涌流導(dǎo)致的繼保設(shè)備誤操作現(xiàn)象更頻繁。

（2）勵磁涌流抑制方法

1）串聯(lián)電阻法：

變壓器合閘過程中，如果我們將適當(dāng)電阻串聯(lián)在電網(wǎng)和變壓器輸入端之間，則能對沖擊電流形成有效限制，讓沖擊電流不斷變小，一直降至等于或小于額定電流，我們即可將限流電阻切除。串聯(lián)電阻法可以對沖擊電流形成有效約束，這對迅速弱化合閘沖擊電流比較有利。

2）選相位合閘法：

分析勵磁涌流干擾因素結(jié)果表明，合閘初相角會明顯影響到變壓器勵磁涌流值。因此我們可以基于三相開關(guān)合閘初相角（三相合閘時間）控制途徑來實現(xiàn)勵磁涌流幅值削弱目標(biāo)。

（3）本項目抑制合閘勵磁涌流方案：

選相位合閘法為本次供貨裝置采用，這樣可以將在高壓上電（10kV）過程中隔離變壓器合閘浪涌過于明顯的沖擊情況避免。這種方案的優(yōu)勢就在于能將充電繞組設(shè)置于變壓器副邊進(jìn)行預(yù)充電，通過高壓相位對一次高壓合閘（10kV）形成控制。

另外，變頻器直流電壓采用干式薄膜電容，控制回路增加浪涌抵制器，輸入輸出信號隔離等措施也對可靠性提高有顯著作用。

結(jié)束語：通過上述提升可靠性的設(shè)計，變頻系統(tǒng)的可靠性大幅提高，可適用于關(guān)鍵負(fù)荷，為工業(yè)生產(chǎn)的連續(xù)運行，提供強有力的保障。

參考文獻(xiàn)

[1] 李華德，交流調(diào)速控制系統(tǒng)[M]北京：電子工業(yè)出版社.

[2] 叢培城，變頻器故障診斷及相應(yīng)控制策略研究.哈爾濱工業(yè)大學(xué)：2011.

[3] 榮信高壓變頻用戶手冊2015版.