新型非PWM功率單元在完美無諧波高壓變頻器中的應(yīng)用

　　隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，作為大容量傳動(dòng)的高壓變頻調(diào)速技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。高壓電動(dòng)機(jī)利用高壓變頻器可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，既可滿足生產(chǎn)工藝過程對(duì)電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制的要求，又可節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本［1］。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(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在歐美、日本、中國等市場(chǎng)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(gè)檔次［1］。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(gè)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(jìn)一步改進(jìn)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(jiǎn)單地對(duì)普通完美無諧波高壓變頻器進(jìn)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(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)，包括國產(chǎn)電機(jī)。

　　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(gè)功率單元，從a1～a5、b1～b5、c1～c5。每個(gè)功率單元輸出電壓為690v，功率單元本身結(jié)構(gòu)完全相同［2］。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(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5個(gè)額定電壓為690v的功率單元串聯(lián)而成，輸出相電壓達(dá)3450v，線電壓達(dá)6kv左右，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［2］。對(duì)于6kv電壓等級(jí)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(dá)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(gè)igbt構(gòu)成的h型單相逆變橋，實(shí)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(cuò)開一定電角度，實(shí)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(gè)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(diǎn)

　　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(shí)沉淀，在普通功率單元結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了獨(dú)特的一種功率單元實(shí)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(gè)單元疊加而成那么就可以產(chǎn)生11種不同的電壓等級(jí)，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(diǎn)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(shí)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(shí)現(xiàn)的，整個(gè)系統(tǒng)將調(diào)壓和調(diào)頻分開來進(jìn)行，但變頻又變壓的原理保持不變。

　?。?） 反并聯(lián)可逆邏輯無環(huán)流整流側(cè)可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)能量回饋，達(dá)到節(jié)省能源的目的。

　?。?）由于輸出逆變模塊的開關(guān)頻率不會(huì)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(shí)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(shí)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(gè)功率單元為例，用矩形波去截同頻率的正弦波，當(dāng)正弦波的幅值大于矩形波幅值時(shí)，使之有電壓輸出，其余時(shí)間內(nèi)使輸出為零，即可得到一個(gè)功率單元的輸出。用9個(gè)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(gè)功率單元提供獨(dú)立電源，對(duì)6kv而言相當(dāng)于30脈沖不可控整流輸入，消除了大部分由單個(gè)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(duì)諧波含量的最嚴(yán)格要求，無需安裝輸入濾波器，并保護(hù)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(bǔ)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(jià)的igbt，因此降低了成本；由于無高頻，省略了高頻保護(hù)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(jì)不但可以彌補(bǔ)由增加晶閘管造成的成本增加，還可以進(jìn)一步降低總成本。

　　3.2 非pwm功率單元的計(jì)算機(jī)仿真

　　普通高壓變頻器中每個(gè)單元輸出的pwm波的調(diào)制機(jī)理是由正弦波作信號(hào)波，三角波作載波調(diào)制產(chǎn)生的。而非pwm功率的實(shí)現(xiàn)思想則迥然不同，在每個(gè)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(duì)額定輸出電壓為10kv的變頻器進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真，每相由九個(gè)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(dá)5850v，線電壓可達(dá)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(shí)現(xiàn)方法

　　控制系統(tǒng)中采用數(shù)字信號(hào)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(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)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(jìn)行相互間的通訊聯(lián)系，完成控制參數(shù)的傳遞，從而實(shí)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(shí)地處理。

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

　　系統(tǒng)采用的是主從多cpu控制系統(tǒng)?？刂齐娐方M成如圖6所示。

　　假設(shè)實(shí)際主電路的每相為5單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)，整個(gè)電路共有15個(gè)功率單元。對(duì)于各相中同一位置的3個(gè)功率單元，采用1片dsp進(jìn)行控制，這樣15個(gè)功率單元可以由5片dsp構(gòu)成5個(gè)對(duì)稱的子系統(tǒng)。再使用1片dsp作為主控芯片，對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行采樣和運(yùn)算以及必要的信息處理。對(duì)于每個(gè)子系統(tǒng)中的三個(gè)功率單元使用相同的載波信號(hào)，正弦調(diào)制波信號(hào)互差120°電角度;每相的5個(gè)功率單元共用1個(gè)正弦調(diào)制波信號(hào)。子系統(tǒng)時(shí)鐘由主控單元給出，通過光纖傳送，從而保證整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘一致，不至于發(fā)生漂移。子控芯片根據(jù)給定的步長(zhǎng)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(shí)還要對(duì)功率單元進(jìn)行必要的保護(hù)。由于變頻器系統(tǒng)的保護(hù)信號(hào)比較多，并且保護(hù)方式也不盡相同，在本設(shè)計(jì)中主要考慮的保護(hù)信號(hào)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(hào)，同時(shí)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(jī)界面顯示出故障情況。主控dsp主要負(fù)責(zé)對(duì)給定信號(hào)以及反饋信號(hào)的采樣、實(shí)時(shí)計(jì)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(jī)接口系統(tǒng)相連，從而完成信息的接收和顯示。同時(shí)它還要對(duì)由子系統(tǒng)發(fā)送的信息進(jìn)行分析和處理，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。同時(shí)，主控芯片將對(duì)電機(jī)回路進(jìn)行必要的保護(hù)和處理。這樣可以更加充分地發(fā)揮dsp處理器的強(qiáng)大的運(yùn)算和實(shí)時(shí)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(hào)、調(diào)制深度系數(shù)、比較輸出控制字、保護(hù)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(shí)現(xiàn)和穩(wěn)定運(yùn)行，又有效地節(jié)約了設(shè)備成本，并且具有較強(qiáng)的功能擴(kuò)展和升級(jí)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(jìn)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(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。