变频器

yang780202

级联多电平变频杂谈
各单元的均衡驱动    级联多单元变频方式有很多优点：对电网有较理想的能量获取方式、低脉冲幅度完美的输出波形、容易实现冗余运行等等。但这些都是在各功率单元均衡驱动前提下才能体现的，否则这些优点将大打折扣，甚至危及系统运行安全。    在变频器输出理想正弦波形及电机负载(感性、3三相对称)情况下,变频器单相及三相能量输出波形如下:


图1a表示u相的电流电压波形；图1b为u相变频输出的能量波形；图1c为三相变频输出能量之间的相位关系及三相总能量输出的波形。    要使变压器副边的3N个绕组获得理想的能量传输，必须满足2个条件：
1、相同相位的副边绕组均匀分配到变频变换的三个相臂中；2、同一相臂不同相位的副边绕组提供相同数量的能量；满足这两个条件后的单元副边绕组供能波形如图2所示：


此时再加上各个副边绕组的对称性，转换到原边电网侧就能获得理想的能量传输特性。第1条由系统结构和恰当的连接很容易就能满足第2条通过适当设计的调制方式也能完美的实现    从图1中可以看出，只要使每一个相臂的各单元(例如U相上的N个单元)在每一个单元的滤波电容充电周期(图2中的t1；50Hz电源下为3.33ms)内提供相同的能量就可以满足上述要求。    例如要输出1.25U(U为单元直流电压)的相电压，图3就是一种不符合要求的单元驱动方式：

从图中可以看出，输出电压能够满足要求，但至少存在以下问题1、该相输出能量仅由A、B单元提供，A单元提供80%的能量，B单元提供20%的能量，其它单元不提供能量(相电流在数个变频调制周期内可视为常量),电网侧电流畸变严重。2、各个单元的调制负荷严重不均衡，相应的热负荷也会很不均匀，可靠性降低，还会造成高负荷单元的寿命缩短，这种不均衡在低电压输出时(低频)时更加明显。3、每个单元都要使用很高的调制频率才能达到较理想的输出波形，而调制频率的增高更加重了单元的负担，也少许降低了转换效率(功耗与调制频率的非线性关系造成)。    要达到均衡负荷的目的，一个简单的办法就是相臂内的各个单元采取循环错位调制方式，虽然相臂内的各单元在硬件连接上是顺序的，但对输出而言在逻辑上是地位等同的，因此采用合理的驱动设计就可以满足负荷均衡分布。    以5单元串联目标等效调制频率9KHz为例，此时各单元的调制只需9KHz/5=1.8KHz即可，每一循环时间为1s/1.8K=0.556ms，即便与变频输出为高频段如50Hz所对应的周期值0.02s相比较也仅占2.78%，这么短时间内相臂输出电压与电流变化是很小的，因此，这种“均分”的实现是相当精确的，基本可以保证每个功率单元均提供1/5的功率输出。再加上另外两臂的相同副边相位的单元的互补性(需错位同步驱动设计)，将更加接近理想状态。    从单元变压器副边端看，在单元副边绕组对滤波电容的充电周期(3.33ms)内，该单元刚好完成了6次功率输出，这种周期的整数倍关系(1.8KHz/300Hz=6)可以消除这两种频率“差拍”效应，但此时的6倍>>1，因此影响微弱，不方便时可以不加理会。    图4和图5分别是相臂输出+2.5U和+1.25U时各单元的调制波形以及合成波形，实际输出正弦波情况下的数个调制周期内，电流和电压的变化是很小的，为简化起见以输出直流为例。

    要实现这种调制的方法有很多，比较简单是的在同一芯片内使用5个循环频率为1.8KHz、依次错位1/5的计数器作为调制计数器即可，使用多芯片原理上也是可以的，但是必须保证相同的计数器脉冲源以避免漂移。    对于三个相臂之间的调制关系，最好设置为相互等间距错位关系，这样变频器对外界的电磁干扰脉冲更加接近“白噪声”，对减少对其它设备的干扰是有益的。
单元内的驱动细节    每个单元均可视为输出电压源，相对于输出端子Uba有3种电压输出：+U、0、-U(U为储能电容电压)，由于负载通常都不是纯阻性的，因此对于每一种电压输出，电流流向都有两种可能，如图1所示。


0-t1、t2-t3区间电流与电压反向；t1-t2、t3-t4区间电压与电流同相。    下面图中列出可能的各种情况(功率管彩色表示开通白色表示阻断；红色路线表示电流路径)：
所有4个功率管都处于关断状态的情形如图2、图3所示


从图中可以看出，输出电压大小为U，电压极性取决于电流方向；无论电机电流方向如何，电容均处于充电状态，这是极其危险的，几十安培至上千安培的电流在毫秒级时间内就能把电容或功率管充爆，这是在运行中绝对不能出现的状态。
    一只功率管开通、其它为关断状态如图4、图5所示


输出电压有两种装状态：0和U(或-U)；电容有一半的情况(取决于电流方向)处在充电状态，因此这种状态也是很危险的，运行中不能长时间处在这种状态。这种状态通常出现在输出电压切换时的过度时期，也就是通常所说的死区时间所处的状态，死区时间通常只有几微妙，因此，影响甚微，除此之外也是不允许出现这种状态的。
    对角开通的输出电压(U或-U)状态如图6、图7所示

无论电流方向如何，输出电压恒定为U(或-U)；在电机电流和输出电压反向时电容会处在充电状态，正常情况下这种电流和电压的反向状态都处在瞬时功率很小的区域(图1中的0-t1、t2-t3区间)，只要将负载控制在功率因素不要过分小的状态运行以及充分大的电容值就不会引起过大的电压上升。值得注意的是，没有制动电阻泄放、电容储能的情况下绝对不能做制动运行，因为制动运行时平均电容充电能量大于放电能量，这种累积充电很快就会上升到危险程度。
    0电压输出状态如图8、图9所示

无论电流流向如何，输出电压都是0；储能电容总是处在旁路状态。
综上所述，某些驱动情形下对单元是危险的，必须避免这些危险的情况发生，除了设计一些安全保护措施以外，最好在单元的驱动部分设置一个如图8所示的“默认”驱动状态，当接收到的主控命令发生错误或出现其它异常情况是迅速转换到“默认”状态，只有“默认”状态是最安全的。