控制网

竺  伟，蔡敏思，邵贤强，邵  戎

1  引言
自1994年美国罗宾康公司推出第一代完美无谐波高压变频器以来，由于其性能好、可靠性高、维修简单等优点，在欧美、日本、中国等市场一直处于领先地位。之后该公司陆续推出了第二代、第三代产品，到2000年又推出新一代全数字控制系统，无论从变频器控制性能、可靠性保证、制造工艺等方面都提高了很大的一个档次。新的控制系统变频器在国内已经有超过40台的销售业绩，国内最早一台是2001年7月在苏州新加坡工业园区配水站投入运行，至今已经将近一年，其完美的性能、全数字控制、极高的可靠性、快速功率单元旁路技术、良好的人机接口等特点令用户折服。该厂于1997年投入使用的两台完美无谐波第一代产品也一直可靠使用至今。
2  完美无谐波高压变频器原理
完美无谐波系列高压变频器采用若干个变频功率单元串联的方式实现直接高压输出。该变频器具有对电网谐波污染小，输入功率因数高，输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热、转矩脉动、噪音、dV/dt及共模电压等问题的特性，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机，包括国产电机。
变频器共有18个功率单元，从A1~A6、B1~B6、C1~C6。每个功率单元输出电压为630V，功率单元本身结构完全相同。6kV或10kV电网电压经过副边多重化的隔离变压器给功率单元供电，功率单元为三相输入、单相输出的交直交PWM电压源型逆变器结构，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电动机。以6kV输出电压等级为例，每相由6个额定电压为630V的功率单元串联而成，输出相电压达3780V，线电压达6.6kV，每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法，实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的。对于6kV电压等级变频，就是36脉冲的整流电路结构，输入电流波形接近正弦波。由于输入电流谐波失真很低，变频器输入的综合因数可达到0.95以上。
逆变器输出采用多电平移相式PWM技术，6kV输出相当于13电平，输出电压非常接近正弦波，dV/dt很小。电平数的增加有利于改善输出波形，由谐波引起的电机发热，噪音和转矩脉动都大大降低，所以这种变频器对电机没有特殊要求，可直接用于普通异步电机，不需要输出滤波器。
3  新一代全数字控制系统特点
 2000年，罗宾康公司推出了完美无谐波高压变频器全新一代控制系统(称为NXG)，其全新的控制
性能、人机接口、故障定位等优点非常突出。其中带中性点漂移(Neutral_Point_Shift)的快速功率单元旁路技术和双频制动(Dual Frequency Brake)功能申请了国际专利。
3.1  快速功率单元旁路
当最初推出完美无谐波变频器时，其最突出的品质是提高电网和电机的电源质量。后来其固有的另一个特点被认识，即通过功率单元旁路技术实现冗余技术，从而大大提高了系统的可靠性。
 

图1  典型的带旁路接触器的单元

功率单元旁路通过在每个单元的输出端增加一个接触器实现，如图1所示。当变频器检测到某单元发生故障时，发出指令使相应的接触器动作，同时将故障单元的输出与电路断开并将与故障单元相邻的两个单元连接起来，有效地将故障单元从电路中分离出来。然后变频器可以重新启动，降额运行。这种方法可以在功率电路或通讯电路的任何元件发生故障时提供保护，而不是仅在功率半导体器件发生故障时保护变频器。
NXG控制系统可以将故障单元旁路，并使变频器在250ms时间内继续运行。中性点漂移技术使变频器在发生单元旁路后容量的下降最小。
通常工艺过程尤其是对风机、水泵类负载而言，250ms的中断不会产生影响。图2显示了人为拔掉单元通讯光纤模拟故障后变频器旁路过程的实测波形。

 
图2  功率单元旁路过程

可见，从故障产生到旁路结束自动重新开始产生转矩，时间在250ms以内。
3.2  旁路时中性点漂移
因为完美无谐波变频器每相中的单元是串联的，所以故障单元旁路不影响变频器的电流，但电压将下降。通常，所要求的电机电压大致与速度成比例，所以变频器能满足应用要求的最大速度也将下降。因此在一个或多个单元发生故障后使电机有效电压最大是十分重要的。
图3说明了完美无谐波变频器的有效输出电压，其中，单元用圆圈表示为功率单元。图中显示为15单元变频器中没有单元被旁路时，全部功率单元在使用，提供100%的电压。A相电压指令相对B相电压指令有120°的位移，对C相的位移也为120°。
 

图3  15单元变频器简图

当变频器某相单元被旁路时，输出电压将变得不平衡，如图4所示。一种可能的措施是在所有三相中旁路掉相同的单元数，既使某些单元并没有发生故障。图5说明这种方法。很显然，这种方法避免了不平衡，但是牺牲了电压容量。在图5中，87%的单元是正常的，但是，仅有60%的单元在使用，所以只能提供60%的电压。
 

图4  2个单元被旁路的变频器输出

图5  通过将正常单元旁路后输出电压恢复平衡

图6  通过调整相位角（中性点漂移）使输出电压恢复平衡

一种更好的方法如图6所示。这种方法利用单元的星形点是浮动的，且不连接到电机中性点，所以，星形点可以偏离电机中性点，单元电压的相位角可以被调整，因而尽管单元组电压不平衡，但是可以得到平衡的电机电压。该方法称为中性点漂移，等效于在单元电压指令矢量中引进零序成分。在图6中，余下87%的正常单元在使用，可提供80%的输出电压。单元电压的相位角被调整，因而，A相与B相以及C相的相位差为132.5°，而不是通常的120°。
图7为发生一个单元故障后使用和不使用中性点漂移时输出电压的比较。
 

图7  只发生一个单元故障时可提供的电压

变频器利用故障单元的信息自动计算单元电压的相位角以得到平衡的电机电压。
对于目前国内通用的6kV完美无谐波系列高压变频器，结构为每相6个630V的功率单元串联，变频器可输出6600V的电压。当一个功率单元发生故障时，变频器仍可输出93%的电压，还能达到6kV的输出，即在一个功率单元发生故障时，变频器的带载能力不变，这在高压变频器中是独一无二的。
3.3  双频制动
对于一般的风机水泵类应用不需要频繁的制动，如果配置PWM可控整流，其成本大大提高。目前一般的制动都是通过制动电阻或向电机注入直流进行制动，能量并不返回电网。其中直流制动不需要增加硬件，将动能消耗在电机内部，但是直流制动一方面制动效果不好；另一方面在制动过程中电机的转速很难观测。
 

图8  在不同速度下双频制动效果曲线

罗宾康公司发明了一种比直流制动效果更好的制动方法，全部由软件实现，不需额外增加硬件。其基本原理是在需要制动时，将一个高次谐波电压叠加在正常的输出电压上，从而将负载的动能转化为热能消耗在电机中，称为双频制动。
双频制动转矩见图8。变频器在制动时会自动限制输出电流不超出额定电流。制动时叠加的谐波频率可以设置，以避免制动时出现共振的情况。
由于双频制动是将负载和电机的动能转化为热能消耗在电机内，因此，双频制动适合于不需频繁制动的场合。为了防止电机过热，变频器内部有电机的热模型，可以估算电机内部的温度，从而自动限制注入电机的谐波大小。
3.4  友好的人机接口和诊断接口
NXG控制具有良好的人机界面，通过普通PC机的以太网口，执行由罗宾康公司提供的TOOL软件，可以以中文界面的形式显示变频器菜单参数、故障记录、操作记录等，也可以对变频器进行起/停操作。此外，变频器还具备远程监控能力。
如果用户需要通过中文触摸屏对变频器进行显示和操作，可以非常方便的在变频器控制柜面板上安装中文触摸屏。
3.5  输入输出电能质量监控
由于对完美无谐波变频器本身品质的充分信赖，变频器对输入输出电压和电流的质量进行实时测量和显示。对输入电压电流总谐波、每次谐波、输入功率因素、系统效率、输入电流有效值、输出电流谐波、有效值等变量进行实时显示，用户可以方便的进行监视。
4  结语
美国罗宾康公司完美无谐波高压变频器新一代全数字控制系统以其固有的高性能和高可靠性，已经为很多用户所称道。美国罗宾康公司希望能更好的为中国的节能环保事业作出贡献。