基于新型非PWM功率單元的完美無諧波高壓變頻器應(yīng)用設(shè)計

1 引言

隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，作為大容量傳動的高壓變頻調(diào)速技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。高壓電動機利用高壓變頻器可以實現(xiàn)無級調(diào)速，既可滿足生產(chǎn)工藝過程對電動機調(diào)速控制的要求，又可節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本。自1994年美國羅賓康公司推出第一代完美無諧波高壓變頻器以來，由于其性能好、可靠性高、維修簡單等優(yōu)點，在歐美、日本、中國等市場一直處于領(lǐng)先地位，完美無諧波高壓變頻器較之普通高壓變頻器，無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檔次。但是，到目前為止，這種完美高壓變頻器的功率單元的整流部分采用單向二極管串聯(lián)，逆變器部分輸出采用多電平移相式pwm技術(shù)，每個功率單元脈沖控制都是采用pwm控制，逆變器的控制脈沖波形，由參考正弦波和三角波比較產(chǎn)生。為了進一步改進高壓變頻器的節(jié)能與降低電網(wǎng)污染及電磁干擾等現(xiàn)象，本文闡述了一種新型功率單元，即非pwm功率單元。非pwm并非真的不是pwm原理，只是把用于產(chǎn)生脈沖波形的三角載波，換成了頻率不變，幅值變化的矩形波。為了引出新型功率單元，我們先從簡單地對普通完美無諧波高壓變頻器進行介紹入手。

2 完美無諧波高壓變頻器原理

完美無諧波高壓變頻器采用若干個變頻功率單元串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓輸出。該變頻器具有對電網(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附加發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、dv/dt及共模電壓等問題的特性，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機，包括國產(chǎn)電機。

2.1 功率單元串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)

如圖1所示，變頻器共有15個功率單元，從a1～a5、b1～b5、c1～c5。每個功率單元輸出電壓為690v，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)，實現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動機。以6kv輸出電壓等級為例，每相由5個額定電壓為690v的功率單元串聯(lián)而成，輸出相電壓達3450v，線電壓達6kv左右，每個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，實現(xiàn)多重化，以達到降低輸入諧波電流的目的。對于6kv電壓等級的變頻器，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，變頻器輸入的功率因數(shù)可達到0.95以上。

2.2 傳統(tǒng)pwm功率單元

傳統(tǒng)的pwm功率單元電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

功率單元為三相輸入單相輸出的交－直－交pwm電壓源型變頻器，移相變壓器的副邊輸出三相交流電經(jīng)功率單元的三相二極管整流后，經(jīng)濾波電容形成平直的直流電，再經(jīng)過4個igbt構(gòu)成的h型單相逆變橋，實行pwm控制。逆變器輸出采用多電平移相式pwm技術(shù)，同一相的功率單元，輸出相同幅值和相位的基波電壓，但串聯(lián)各單元的載波之間互相錯開一定電角度，實現(xiàn)多電平pwm，疊加以后輸出電壓的等效開關(guān)頻率和電平數(shù)大大增加，輸出電壓非常接近正弦波。每個功率單元脈沖控制都是采用spwm控制，逆變器的控制脈沖波形，由參考正弦波和三角波比較產(chǎn)生。

3 非pwm（npwm）功率單元

3.1 非pwm功率單元的電路及特點

如上所述，普通pwm功率單元已經(jīng)很好的完成了接近正弦波的輸出，但是這種pwm方式還是無法避免電網(wǎng)污染和電磁干擾現(xiàn)象。綜合過去知識沉淀，在普通功率單元結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了獨特的一種功率單元實現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

非pwm功率單元由如下兩部分構(gòu)成：輸入單元部分由晶閘管三相可控整流橋所組成，輸出單元部分由igbt構(gòu)成的逆變橋所組成，其輸出電壓狀態(tài)為1，0，-1。如果每相由五個單元疊加而成那么就可以產(chǎn)生11種不同的電壓等級，由此，完美無諧波系統(tǒng)變頻就可以合成更加完美的正弦輸出電壓波形。

該功率單元結(jié)構(gòu)的特點是：

（1） 輸出電壓的幅值的調(diào)節(jié)是由反并聯(lián)可逆邏輯無環(huán)流可控整流電路來實現(xiàn)。（ud=2.34u2cosα）

（2） 輸出電壓的頻率的變化是由逆變單元模塊來實現(xiàn)的，整個系統(tǒng)將調(diào)壓和調(diào)頻分開來進行，但變頻又變壓的原理保持不變。

（3） 反并聯(lián)可逆邏輯無環(huán)流整流側(cè)可自動實現(xiàn)能量回饋，達到節(jié)省能源的目的。

（4）由于輸出逆變模塊的開關(guān)頻率不會高于輸出頻率，因此避免了傳統(tǒng)的pwm方式所造成的電網(wǎng)污染和電磁干擾現(xiàn)象，這將預(yù)示著一種新型的節(jié)能綠色高壓變頻器的誕生－非pwm（npwm）功率單元高壓變頻器。

采用反并聯(lián)可逆邏輯無環(huán)流整流，不但可以很好的完成整流功能，還能實現(xiàn)能量回饋，把多余的能量回送到電網(wǎng)，節(jié)省了能源消耗。由于這種無環(huán)流可逆系統(tǒng)采用控制原則是兩組橋在任意時刻只有一組投入工作，另一組關(guān)斷，所以在兩組橋之間不存在環(huán)流。變流器之間的切換過程是由邏輯單元控制的，因此稱為邏輯無環(huán)流系統(tǒng)。

矩形波調(diào)制原理與原來三角波調(diào)制類似，在正弦波作調(diào)制波的情況下，把原來的三角波換成了矩形波做載波。以一個功率單元為例，用矩形波去截同頻率的正弦波，當正弦波的幅值大于矩形波幅值時，使之有電壓輸出，其余時間內(nèi)使輸出為零，即可得到一個功率單元的輸出。用9個單元的輸出相疊加，即可得到完美接近正弦波的電壓輸出。

輸入側(cè)隔離變壓器二次繞組經(jīng)過移相降壓，為每個功率單元提供獨立電源，對6kv而言相當于30脈沖不可控整流輸入，消除了大部分由單個功率單元所引起的諧波電流，極大地抑制了網(wǎng)側(cè)諧波的產(chǎn)生；變頻器引起的網(wǎng)側(cè)諧波含量可滿足《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》對諧波含量的最嚴格要求，無需安裝輸入濾波器，并保護周邊設(shè)備免受諧波干擾。正常調(diào)速范圍內(nèi)功率因數(shù)大于0.95，無需功率因數(shù)補償電容；采用矩形波做載波，大大削弱了輸出諧波含量，輸出波形接近完美正弦波，無需輸出濾波器裝置，就可使總諧波含量（thd）降低到2%以下。

采用反并聯(lián)電路雖然增加了晶閘管的數(shù)量。看似提高了成本，但是由于逆變部分采用與正弦波同頻率的矩形波做載波，大大降低了管子的頻率，在批量生產(chǎn)的情況下，又可以用低頻開關(guān)管來替代高價的igbt，因此降低了成本；由于無高頻，省略了高頻保護電路，除了可以減小電網(wǎng)污染以外，還降低了成本。所以這種設(shè)計不但可以彌補由增加晶閘管造成的成本增加，還可以進一步降低總成本。

3.2 非pwm功率單元的計算機仿真

普通高壓變頻器中每個單元輸出的pwm波的調(diào)制機理是由正弦波作信號波，三角波作載波調(diào)制產(chǎn)生的。而非pwm功率的實現(xiàn)思想則迥然不同，在每個單元采用頻率不變，幅值變化的矩形波作載波，來調(diào)制輸出所需要的非pwm波。

我們對額定輸出電壓為10kv的變頻器進行了計算機仿真，每相由九個額定電壓為650v的功率單元串聯(lián)而成，輸出相電壓最高可達5850v，線電壓可達10kv左右。非pwm功率單元的仿真電路如圖4所示，仿真結(jié)果如圖5所示。

由仿真結(jié)果可以看出，這種新型非pwm功率單元可以輸出較之普通pwm功率單元更加完美的正弦波形。

3.3 非pwm功率單元的實現(xiàn)方法

控制系統(tǒng)中采用數(shù)字信號處理器dsp。dsp是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，dsp芯片的內(nèi)部采用程序區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)分開的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的dsp指令，可以用來快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。系統(tǒng)控制電路中的主控部件采用tms320lf2407dsp芯片，多片dsp協(xié)同作業(yè)，通過控制器局域網(wǎng)（can）進行相互間的通訊聯(lián)系，完成控制參數(shù)的傳遞，從而實現(xiàn)移相式npwm脈沖的觸發(fā)，并且能夠?qū)Ω鞣N故障中斷做出及時地處理。

以額定輸出電壓為10kv的高壓變頻器為例，整個控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方法如下：

系統(tǒng)采用的是主從多cpu控制系統(tǒng)。控制電路組成如圖6所示。

假設(shè)實際主電路的每相為5單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)，整個電路共有15個功率單元。對于各相中同一位置的3個功率單元，采用1片dsp進行控制，這樣15個功率單元可以由5片dsp構(gòu)成5個對稱的子系統(tǒng)。再使用1片dsp作為主控芯片，對控制信號進行采樣和運算以及必要的信息處理。對于每個子系統(tǒng)中的三個功率單元使用相同的載波信號，正弦調(diào)制波信號互差120°電角度;每相的5個功率單元共用1個正弦調(diào)制波信號。子系統(tǒng)時鐘由主控單元給出，通過光纖傳送，從而保證整個系統(tǒng)的時鐘一致，不至于發(fā)生漂移。子控芯片根據(jù)給定的步長參數(shù)可以確定正弦調(diào)制波的頻率，從而可以決定輸出電壓的頻率。子控制系統(tǒng)同時還要對功率單元進行必要的保護。由于變頻器系統(tǒng)的保護信號比較多，并且保護方式也不盡相同，在本設(shè)計中主要考慮的保護信號有：過流、過壓、欠壓和過熱。在這4種典型故障情況下，子cpu將封鎖其輸出的全部npwm觸發(fā)信號，同時向主cpu發(fā)出必要的信息，使其能夠?qū)Πl(fā)生的情況做出必要的響應(yīng)和處理，并通過人機界面顯示出故障情況。主控dsp主要負責(zé)對給定信號以及反饋信號的采樣、實時計算、v/f查表求值、pi算法控制等等，并且通過數(shù)據(jù)和地址總線以及串行通訊接口與人機接口系統(tǒng)相連，從而完成信息的接收和顯示。同時它還要對由子系統(tǒng)發(fā)送的信息進行分析和處理，監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀況。同時，主控芯片將對電機回路進行必要的保護和處理。這樣可以更加充分地發(fā)揮dsp處理器的強大的運算和實時處理能力。

主控芯片與從控芯片通過控制器局域網(wǎng)（can）相互連接。從而完成相互之間的一些必要的信息和數(shù)據(jù)的傳送。在本系統(tǒng)中涉及到的需要傳送的信息和數(shù)據(jù)主要有：調(diào)制頻率信號、調(diào)制深度系數(shù)、比較輸出控制字、保護中斷信息以及初始化設(shè)定值信息等等。

采用這種控制電路，既保證了系統(tǒng)的功能實現(xiàn)和穩(wěn)定運行，又有效地節(jié)約了設(shè)備成本，并且具有較強的功能擴展和升級能力。

4 結(jié)束語

與傳統(tǒng)的高壓變頻器pwm功率單元相比，非pwm功率單元在輸入、輸出波形和控制性能等方面有了進一步的完善，在抗電網(wǎng)污染和抗電磁干擾方面更較之pwm功率單元更勝一籌，具有較高的市場應(yīng)用價值。