摘 要 ：本文介紹了級聯多單元高壓變頻器使用中點漂移法解決單元故障時提高輸出電壓的方法。分析了不同故障模式下的處理措施和該方法的優缺點。對比分析了對稱切除方式的差別。 關鍵詞： 高壓變頻驅動 中點漂移 算法 1 引言 隨著國內高壓變頻器的普及，級連多單元多電平變頻器依靠靈活的模塊化結構，特別是低壓IGBT器件的價格優勢，其應用越來越廣泛。例如基于580V標準單元的模塊化結構，通過改變級連的單元數量，從3單元、6單元到10單元可以完全滿足國內3kV、6kV和10kV電機的驅動需要。實際應用中發現，在多單元變頻器運行時，因為裝置所含半導體元器件數量眾多，偶發的單元故障會帶來停機或降容運行的結果。如何在一個或少數幾個模塊故障時，維持電機不停機運行，等待檢修時機，是廣大變頻器廠商和用戶極為關心的問題。 模塊化變頻器自身提供冗余的辦法很多，如級連單元時，采用模塊冗余法就是一種。該方法是建立在單元內部的所有零部件在故障模式下沒有引起火災、電氣短路等惡性事故的前提下，依靠單元內部的旁路系統，提供故障單元的功能切除，同時將處于熱備份狀態的單元功能充分利用，保證系統的全額輸出。該方法備份單元無顯性定位，靠變頻器系統的總輸出能力體現。例如6kV系統，使用8個580V單元，冗余兩個模塊，可靠性提高到原來的2.6倍。 如果沒有冗余模塊，也可利用中點漂移的方法，達到在部分單元故障狀態下，提高系統輸出電壓。其它還有提高模塊直流電壓、注入零序分量法等。 當前市場上使用的變頻器，出于成本因素，無論用戶還是制造廠大都不選擇模塊冗余方式，從而中點漂移法成為部分單元故障時提高裝置輸出電壓的首選方法。本文對此進行分析和比較。 2 中點漂移法基本原理 1998年，國外某變頻器公司提出了基于中點漂移的PWM控制算法，其基本思路可用圖1表示。 變頻器作為一個柔性變換的三相交流電源，以無中線的方式與電機連接，故而只要電機端的線電壓為對稱三相即可。如圖1中，三相線電壓構成一個等邊三角形。級連多單元多電平變頻器采用星型連接，各相電壓如圖1中的abc三條線段。如果它們彼此相等，則中點位于該等邊三角形的中心、重心和垂心三個重合的點處。 如果某些個單元發生了損壞，使得三個線段不再能夠相等，則可以采用漂移中點的方法，改變PWM控制的相電壓參考信號之間的夾角，達到輸出線電壓對稱的目的。只有對稱的線電壓，才能在電機內形成圓形旋轉磁場，從而減少逆序等引起的轉矩脈動和電機徑向磁拉力帶來的振動。 由于變頻器一般都使用計算能力相對較弱的微控制器來進行控制，因此在線計算不同單元故障時的中點漂移策略相對困難，離線計算的數據用查表法來生成故障時的調制方案是一個簡單的解決思路。 角度計算主要依據簡單的幾何關系，如余弦定理： 其中a∈[0,NA]，b∈[0,NB]，c∈[0,NC]，NA，NB，NC是各相剩余的完好單元數，不妨設NA，NB，NC按降序排列。不難看出，舍棄A、B相多于C相的單元，以NC來考慮對稱輸出，是最簡單的方法，稱為對稱切除。但是逆變器最大輸出電壓降低到原來的（NC/N）×100%，影響了可用最大輸出電壓。 公式（1）中的變量有7個，[mc,a,b,c,α,β,γ]，方程有4個，限定條件可以增加變量均為非負實數，尋優的目標是等效相電壓mc最大。 為了簡化分析，可以將a、b、c固定為NA、NB、NC，去掉3個未知數，則方程可解。第一步去掉變量mc，得到: 令x=cos a，y=cos b，考慮到a, b, g的取值范圍均在[0, 1800]以內，余弦值單調，正弦值非負，故有： 進一步化簡為： 簡化到對最后一個一元非線性方程的求解問題，且可用的變量范圍為x∈[-1,1]，但是未必一定有解。如[NA,NB,NC]=[6,5,0]時，除非選擇[a,b,c]=[5,5,0]。 在以上的分析中，假設了浮動后的中點在三角形以內，以滿足等效相電壓最大的要求。不失一般性，浮動后的中點也可能在三角形以外，如圖2所示。 圖2中，設b、c相剩余單元數量相同，A相最多，那么圖中的P點為漂移后的中點，以Nb或Nc為半徑畫圓，AP的長度等于Na，A點固定，以A點為端點作與AP夾角為30°的兩條射線，分別與先前的圓有兩個、一個或者沒有交點。有兩個交點時，可得到三角形AB′C′和ABC，那么對于三角形ABC而言，中點漂移到了三角形以外。若設b=c，等效的相電壓為m，則根據余弦定理有： 顯然，2b≥a有實根，a=2b時只有一個根，前述圓成為兩條射線的內切圓，b即內切的圓的半徑。按a和b的大小關系分類情況如下： 如圖2所示，在第三種情況下，輸出可有兩種，二者相差很大，浮動后的中點不在三角形內部，產生的輸出幅值小，其中有功功率會在不同相發生交換，只具有純數學價值。 當三相剩余的完好單元數均不相等的時候，除可按照式（1）～式（5）進行計算外，還可以按照下述方法。不妨設a＞b＞c，合成后等效為m，則浮動中點P位于以A、B、C為頂點的3個半徑為a、b、c的圓的交點上，如圖3所示。 以圖中坐標，設P（x, y），則有： 3個方程，3個未知數，化簡為： 求解時，只要使y在[0,b]內即可，使用牛頓法可以快速計算出結果。但是解不唯一。以單元剩余[6 5 4]時為例，可得到兩種結果，如圖4所示。公式（8）的第三個方程關于y有兩次過零，得到大小迥異的兩種漂移結果。 中點在三角形內部得到的輸出電壓較大，在外部得到的輸出電壓很小，且存在變頻器相間功率交換，一般舍棄不用。 3 中點漂移計算結果 應用上述公式，以6單元系統為例，不同剩余單元數需要的角度和等效結果如附表所示。符號見圖1。 有效組合共有（7+6+5+4+3+2+1=28）種可能，扣除（a＞b+c）的12種情況，剩余16種組合有23個結果，其中多出來的7個存在中點浮動到了三角形之外的情況，予以舍棄。對于更多的如10單元系統，參照上述公式，不難計算，此處不再贅述。 4 對比分析 與上述方法相比較，目前大部分制造廠都在使用對稱切除法，即某個單元故障以后，切除另外兩相的對應單元，這樣就會有功能良好的單元被浪費，從而減少了輸出電壓。以[6,6,5]剩余為例，比較兩種方法得到的線電壓如圖5所示。 ABC為單元全好時，面積最大；A′B′C為中點漂移法，面積次大；A″B″C對稱切除法，面積最小。圖中可以看到，中點漂移法很大程度的發揮了剩余單元的作用，是一個有效的方法。 中點漂移后的電壓角度如附表所示，其中不再相差120°的電角度，都具有很不規則的數據。如果在進行PWM調制處理時，不能有效去除該因素帶來的影響，反而會在輸出電壓中產生因為不對稱造成的逆序，危害電機的正常運行。一般說，故障切除的單元總數不應超過總單元數的20%，如6單元變頻器，4個以上的單元損壞應立即停機或者降容使用。 5 結束語 本文通過對中點漂移法的基本原理進行分析，得到了具體漂移的角度和需要注意的問題，經過驗證，數據是準確的，對級連多單元多電平變頻器的性能提高有一定指導作用。