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竺  偉，蔡敏思，邵賢強(qiáng)，邵  戎

1  引言
自1994年美國(guó)羅賓康公司推出第一代完美無(wú)諧波高壓變頻器以來(lái)，由于其性能好、可靠性高、維修簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在歐美、日本、中國(guó)等市場(chǎng)一直處于領(lǐng)先地位。之后該公司陸續(xù)推出了第二代、第三代產(chǎn)品，到2000年又推出新一代全數(shù)字控制系統(tǒng)，無(wú)論從變頻器控制性能、可靠性保證、制造工藝等方面都提高了很大的一個(gè)檔次。新的控制系統(tǒng)變頻器在國(guó)內(nèi)已經(jīng)有超過(guò)40臺(tái)的銷售業(yè)績(jī)，國(guó)內(nèi)最早一臺(tái)是2001年7月在蘇州新加坡工業(yè)園區(qū)配水站投入運(yùn)行，至今已經(jīng)將近一年，其完美的性能、全數(shù)字控制、極高的可靠性、快速功率單元旁路技術(shù)、良好的人機(jī)接口等特點(diǎn)令用戶折服。該廠于1997年投入使用的兩臺(tái)完美無(wú)諧波第一代產(chǎn)品也一直可靠使用至今。
2  完美無(wú)諧波高壓變頻器原理
完美無(wú)諧波系列高壓變頻器采用若干個(gè)變頻功率單元串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出。該變頻器具有對(duì)電網(wǎng)諧波污染小，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、dV/dt及共模電壓等問(wèn)題的特性，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機(jī)，包括國(guó)產(chǎn)電機(jī)。
變頻器共有18個(gè)功率單元，從A1~A6、B1~B6、C1~C6。每個(gè)功率單元輸出電壓為630V，功率單元本身結(jié)構(gòu)完全相同。6kV或10kV電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)副邊多重化的隔離變壓器給功率單元供電，功率單元為三相輸入、單相輸出的交直交PWM電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動(dòng)機(jī)。以6kV輸出電壓等級(jí)為例，每相由6個(gè)額定電壓為630V的功率單元串聯(lián)而成，輸出相電壓達(dá)3780V，線電壓達(dá)6.6kV，每個(gè)功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法，實(shí)現(xiàn)多重化，以達(dá)到降低輸入諧波電流的目的。對(duì)于6kV電壓等級(jí)變頻，就是36脈沖的整流電路結(jié)構(gòu)，輸入電流波形接近正弦波。由于輸入電流諧波失真很低，變頻器輸入的綜合因數(shù)可達(dá)到0.95以上。
逆變器輸出采用多電平移相式PWM技術(shù)，6kV輸出相當(dāng)于13電平，輸出電壓非常接近正弦波，dV/dt很小。電平數(shù)的增加有利于改善輸出波形，由諧波引起的電機(jī)發(fā)熱，噪音和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)都大大降低，所以這種變頻器對(duì)電機(jī)沒(méi)有特殊要求，可直接用于普通異步電機(jī)，不需要輸出濾波器。
3  新一代全數(shù)字控制系統(tǒng)特點(diǎn)
 2000年，羅賓康公司推出了完美無(wú)諧波高壓變頻器全新一代控制系統(tǒng)(稱為NXG)，其全新的控制
性能、人機(jī)接口、故障定位等優(yōu)點(diǎn)非常突出。其中帶中性點(diǎn)漂移(Neutral_Point_Shift)的快速功率單元旁路技術(shù)和雙頻制動(dòng)(Dual Frequency Brake)功能申請(qǐng)了國(guó)際專利。
3.1  快速功率單元旁路
當(dāng)最初推出完美無(wú)諧波變頻器時(shí)，其最突出的品質(zhì)是提高電網(wǎng)和電機(jī)的電源質(zhì)量。后來(lái)其固有的另一個(gè)特點(diǎn)被認(rèn)識(shí)，即通過(guò)功率單元旁路技術(shù)實(shí)現(xiàn)冗余技術(shù)，從而大大提高了系統(tǒng)的可靠性。
 

圖1  典型的帶旁路接觸器的單元

功率單元旁路通過(guò)在每個(gè)單元的輸出端增加一個(gè)接觸器實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。當(dāng)變頻器檢測(cè)到某單元發(fā)生故障時(shí)，發(fā)出指令使相應(yīng)的接觸器動(dòng)作，同時(shí)將故障單元的輸出與電路斷開(kāi)并將與故障單元相鄰的兩個(gè)單元連接起來(lái)，有效地將故障單元從電路中分離出來(lái)。然后變頻器可以重新啟動(dòng)，降額運(yùn)行。這種方法可以在功率電路或通訊電路的任何元件發(fā)生故障時(shí)提供保護(hù)，而不是僅在功率半導(dǎo)體器件發(fā)生故障時(shí)保護(hù)變頻器。
NXG控制系統(tǒng)可以將故障單元旁路，并使變頻器在250ms時(shí)間內(nèi)繼續(xù)運(yùn)行。中性點(diǎn)漂移技術(shù)使變頻器在發(fā)生單元旁路后容量的下降最小。
通常工藝過(guò)程尤其是對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載而言，250ms的中斷不會(huì)產(chǎn)生影響。圖2顯示了人為拔掉單元通訊光纖模擬故障后變頻器旁路過(guò)程的實(shí)測(cè)波形。

 
圖2  功率單元旁路過(guò)程

可見(jiàn)，從故障產(chǎn)生到旁路結(jié)束自動(dòng)重新開(kāi)始產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，時(shí)間在250ms以內(nèi)。
3.2  旁路時(shí)中性點(diǎn)漂移
因?yàn)橥昝罒o(wú)諧波變頻器每相中的單元是串聯(lián)的，所以故障單元旁路不影響變頻器的電流，但電壓將下降。通常，所要求的電機(jī)電壓大致與速度成比例，所以變頻器能滿足應(yīng)用要求的最大速度也將下降。因此在一個(gè)或多個(gè)單元發(fā)生故障后使電機(jī)有效電壓最大是十分重要的。
圖3說(shuō)明了完美無(wú)諧波變頻器的有效輸出電壓，其中，單元用圓圈表示為功率單元。圖中顯示為15單元變頻器中沒(méi)有單元被旁路時(shí)，全部功率單元在使用，提供100%的電壓。A相電壓指令相對(duì)B相電壓指令有120°的位移，對(duì)C相的位移也為120°。
 

圖3  15單元變頻器簡(jiǎn)圖

當(dāng)變頻器某相單元被旁路時(shí)，輸出電壓將變得不平衡，如圖4所示。一種可能的措施是在所有三相中旁路掉相同的單元數(shù)，既使某些單元并沒(méi)有發(fā)生故障。圖5說(shuō)明這種方法。很顯然，這種方法避免了不平衡，但是犧牲了電壓容量。在圖5中，87%的單元是正常的，但是，僅有60%的單元在使用，所以只能提供60%的電壓。
 

圖4  2個(gè)單元被旁路的變頻器輸出

圖5  通過(guò)將正常單元旁路后輸出電壓恢復(fù)平衡

圖6  通過(guò)調(diào)整相位角（中性點(diǎn)漂移）使輸出電壓恢復(fù)平衡

一種更好的方法如圖6所示。這種方法利用單元的星形點(diǎn)是浮動(dòng)的，且不連接到電機(jī)中性點(diǎn)，所以，星形點(diǎn)可以偏離電機(jī)中性點(diǎn)，單元電壓的相位角可以被調(diào)整，因而盡管單元組電壓不平衡，但是可以得到平衡的電機(jī)電壓。該方法稱為中性點(diǎn)漂移，等效于在單元電壓指令矢量中引進(jìn)零序成分。在圖6中，余下87%的正常單元在使用，可提供80%的輸出電壓。單元電壓的相位角被調(diào)整，因而，A相與B相以及C相的相位差為132.5°，而不是通常的120°。
圖7為發(fā)生一個(gè)單元故障后使用和不使用中性點(diǎn)漂移時(shí)輸出電壓的比較。
 

圖7  只發(fā)生一個(gè)單元故障時(shí)可提供的電壓

變頻器利用故障單元的信息自動(dòng)計(jì)算單元電壓的相位角以得到平衡的電機(jī)電壓。
對(duì)于目前國(guó)內(nèi)通用的6kV完美無(wú)諧波系列高壓變頻器，結(jié)構(gòu)為每相6個(gè)630V的功率單元串聯(lián)，變頻器可輸出6600V的電壓。當(dāng)一個(gè)功率單元發(fā)生故障時(shí)，變頻器仍可輸出93%的電壓，還能達(dá)到6kV的輸出，即在一個(gè)功率單元發(fā)生故障時(shí)，變頻器的帶載能力不變，這在高壓變頻器中是獨(dú)一無(wú)二的。
3.3  雙頻制動(dòng)
對(duì)于一般的風(fēng)機(jī)水泵類應(yīng)用不需要頻繁的制動(dòng)，如果配置PWM可控整流，其成本大大提高。目前一般的制動(dòng)都是通過(guò)制動(dòng)電阻或向電機(jī)注入直流進(jìn)行制動(dòng)，能量并不返回電網(wǎng)。其中直流制動(dòng)不需要增加硬件，將動(dòng)能消耗在電機(jī)內(nèi)部，但是直流制動(dòng)一方面制動(dòng)效果不好；另一方面在制動(dòng)過(guò)程中電機(jī)的轉(zhuǎn)速很難觀測(cè)。
 

圖8  在不同速度下雙頻制動(dòng)效果曲線

羅賓康公司發(fā)明了一種比直流制動(dòng)效果更好的制動(dòng)方法，全部由軟件實(shí)現(xiàn)，不需額外增加硬件。其基本原理是在需要制動(dòng)時(shí)，將一個(gè)高次諧波電壓疊加在正常的輸出電壓上，從而將負(fù)載的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能消耗在電機(jī)中，稱為雙頻制動(dòng)。
雙頻制動(dòng)轉(zhuǎn)矩見(jiàn)圖8。變頻器在制動(dòng)時(shí)會(huì)自動(dòng)限制輸出電流不超出額定電流。制動(dòng)時(shí)疊加的諧波頻率可以設(shè)置，以避免制動(dòng)時(shí)出現(xiàn)共振的情況。
由于雙頻制動(dòng)是將負(fù)載和電機(jī)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能消耗在電機(jī)內(nèi)，因此，雙頻制動(dòng)適合于不需頻繁制動(dòng)的場(chǎng)合。為了防止電機(jī)過(guò)熱，變頻器內(nèi)部有電機(jī)的熱模型，可以估算電機(jī)內(nèi)部的溫度，從而自動(dòng)限制注入電機(jī)的諧波大小。
3.4  友好的人機(jī)接口和診斷接口
NXG控制具有良好的人機(jī)界面，通過(guò)普通PC機(jī)的以太網(wǎng)口，執(zhí)行由羅賓康公司提供的TOOL軟件，可以以中文界面的形式顯示變頻器菜單參數(shù)、故障記錄、操作記錄等，也可以對(duì)變頻器進(jìn)行起/停操作。此外，變頻器還具備遠(yuǎn)程監(jiān)控能力。
如果用戶需要通過(guò)中文觸摸屏對(duì)變頻器進(jìn)行顯示和操作，可以非常方便的在變頻器控制柜面板上安裝中文觸摸屏。
3.5  輸入輸出電能質(zhì)量監(jiān)控
由于對(duì)完美無(wú)諧波變頻器本身品質(zhì)的充分信賴，變頻器對(duì)輸入輸出電壓和電流的質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和顯示。對(duì)輸入電壓電流總諧波、每次諧波、輸入功率因素、系統(tǒng)效率、輸入電流有效值、輸出電流諧波、有效值等變量進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，用戶可以方便的進(jìn)行監(jiān)視。
4  結(jié)語(yǔ)
美國(guó)羅賓康公司完美無(wú)諧波高壓變頻器新一代全數(shù)字控制系統(tǒng)以其固有的高性能和高可靠性，已經(jīng)為很多用戶所稱道。美國(guó)羅賓康公司希望能更好的為中國(guó)的節(jié)能環(huán)保事業(yè)作出貢獻(xiàn)。