一、 引言 　　低壓變頻器已經(jīng)取得企業(yè)界的認可，正在走向大面積普及之路。高壓變頻器市場正在啟動，前景十分好，以前這一產(chǎn)品完全依賴進口，近幾年，隨著人們對高壓變頻器的認識越來越深入，市場需求迅速增加。 國內(nèi)變頻器生產(chǎn)商奮起直追，已涌現(xiàn)出幾個品牌。我公司是開始研制高壓變頻器較早的單位之一， 6000V級的高壓變頻器已有多臺正在正常運轉，通過了天津發(fā)配電及電控設備檢測所和國家電控配電設備質量監(jiān)督檢驗中心的檢驗，通過了由院士和國內(nèi)著名專家組成的鑒定委員會的鑒定，鑒定證書中高度評價了設備的先進性和創(chuàng)新性。在2002年年底我公司接到萬伏變頻器的訂單，該變頻器已于是2003年3月交付使用，現(xiàn)在運行良好?，F(xiàn)把研制中的一些關鍵技術問題和解決辦法奉獻給讀者，以期得到專家、用戶和朋友的指教。 二 方案選擇 　　客戶要求的主要技術指標是：10000V,355KW,額定電流為25.5A,負載為水泵。 　　高壓變頻器的制造遠遠落后于社會的需求，全世界都是這樣。瓶頸在于功率器件耐壓不夠，這是制約高壓變頻器發(fā)展的主要因素。為此，科學家們提出了很多解決方案，例如，高-低-高方案、功率器件直接串聯(lián)方案、三電平-多電平方案、功率單元串聯(lián)方案等等。我公司生產(chǎn)的6000V變頻器用的是功率單元串聯(lián)方案，效果很好，10000V變頻器仍然選這種方案，其理由是： a、輸出電平數(shù)多，因此輸出波形特別好，能適合普通異步電動機，且不必降額使用。 b、所需IGBT數(shù)量大，但對耐壓要求不高，功率器件不存在均壓問題。 c、輸入整流電路的脈沖數(shù)大，對電網(wǎng)污染小，功率因數(shù)高。 d、功率單元數(shù)量大，這是個大缺點，但結構完全一樣，可以互換，這對生產(chǎn)、調(diào)試、留備用件等都來了很大方便。 e、技術已經(jīng)掌握，已有成功經(jīng)驗，可靠性有保證。 三 系統(tǒng)原理 　　功率單元串聯(lián)結構，如圖1所示，以每相9單元為例。 功率單元為三相50Hz輸入，通過交—直—交變換，得到SPWM單相輸出的變頻器，多個單元相串聯(lián)后組成Y型結構。單元的三相輸入由副邊多重化隔離變壓器供給，如圖2所示。 (一) 電路結構 1、單元數(shù)和功率器件的選擇 線電壓10000V，相電壓5773V，若每相由9個單元串聯(lián)，每個單元的的輸出為641.5V（有效值）。用戶要求的額定容量小，最終選用了西門子雙單元IGBT模塊為功率器件。 2、輸入隔離變壓器的設計 為繞制方便，采用18脈沖整流，輸入電流諧波已能滿足電磁兼容要求。變壓器輸入側采用星形接法。輸入變壓器與功率單元的連接示意圖如圖2所示。 這種整流結構能夠保證輸入電流的諧波成份滿足企業(yè)標準和IEEE519的規(guī)定和要求。當然相位組還可以更多一些，例如采用30或36脈沖整流電路結構，不過那樣就大大增加了變壓器繞制工藝的難度。 3．功率單元主電路 功率單元主電路結構是典型的三相輸入單相輸出電路，如圖3所示。 (1)由于電解電容上的交流成分和高頻成分比較大，實際并有無感電容（圖中未畫），可以減少交流成分和高頻成分，從而減少電解電容的負擔，以提高電解電容的壽命。 (2) 單相輸出有晶閘管旁路電路，正常工作時晶閘管不導通，當該單元發(fā)生故障時，晶閘管導通，該單元退出運行，其它單元還可繼續(xù)工作，因而整機可以避免緊急停機。 　　在工作方式上，采用單臂（T1、T2）PWM調(diào)制，另一臂（T3、T4）上下管輪流導通，波形見圖4，整體原理方案如圖2所示，總體結構如圖5所示。 （二）控制系統(tǒng)及其優(yōu)化 　　87C196MC是變頻器中常用的，在本設計中仍然選它為主控器件，每個單元配有51單片機作為輔機。單片機資源有限，設計中必須精打細算、注意優(yōu)化。 1、 控制系統(tǒng)的電源 控制系統(tǒng)有一套獨立的電源子系統(tǒng)，其構成如圖6所示： 　　220V市電經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓得到一個穩(wěn)定的直流電壓，再由一個高頻振蕩器得到幅度穩(wěn)定的高頻信號，由一系列高頻變壓器及相應的整流、濾波送到各單元的控制及驅動電路。 控制系統(tǒng)電源獨立的好處是： 1）電源通過高頻變壓器給各單元供電，容易實現(xiàn)高壓隔離。 2）主電路有故障時，控制系統(tǒng)供電依然正常，能保證IGBT開關次序不亂。 3）主電路不加電、不加載的情況下，可以對整機進行調(diào)試，此時各點波形與主電路加電、加載時完全一樣，只是輸出電壓幅度小。這對設備調(diào)試、檢修和操作人員的培訓十分方便。 3、載波移相技術 采用功率單元串聯(lián)實現(xiàn)高壓變頻器，控制方式一般有兩種： （1）堆波方式 （2）載波移相技術 堆波方法控制，實現(xiàn)較簡單，波形質量也比較好，功率器件開關次數(shù)少，開關損耗小，但它存在兩個缺點： （1）串聯(lián)的各單元承擔的功率不一致。 （2）變壓器各付邊繞組承擔的功率不一致。 　　載波移相技術可以得到良好的輸出波形，它克服了堆波方法的兩個缺點，雖然功率器件開關次數(shù)較堆波方法多，但在整機中開關損耗并非突出矛盾，因此我們采用了這種控制方式。 　　將調(diào)制信號和載波信號的頻率固定不變，調(diào)制信號的相位也固定，把單元1的載波相位取為基準，單元2、3、～８、９的載波相位依次后延1/９載波周期。載波頻率等效提高了９倍，而在同一時刻只有一個單元有開關動作，９單元串聯(lián)后dv/dt仍然同于一個單元的dv/dt，串聯(lián)后總輸出的基波成份相疊加，而各單元的諧波成分卻相互抵消而變得很小，這是該項技術的最大優(yōu)點所在。 　　另外，這種控制方式，串聯(lián)的各單元承擔的功率都相等，隔離變壓器的各付邊繞組承擔的功率也都相等，各個單元的結構與控制電路也都完全相同。 4、正弦波的階梯化模型 　?。箓€單元的載波應該分別與同一調(diào)制信號相比較，那么９個PWM脈沖的寬度變化就更精細的反映了調(diào)制信號的幅度變化，但這樣就使采樣數(shù)據(jù)量比一個單元的采樣數(shù)據(jù)量擴大了９倍，使CPU（87C196MC）難于承受，更重要的是輸出端口不夠用，這是必須解決的難題。在本設計中解決的辦法是只讓1個單元負責采樣，而其它單元都使用這個采樣值，這實際上是假設：當?shù)谝粋€單元采樣之后，第2、3、～８、９單元應該采樣的這段時間里，調(diào)制信號沒有變化，正弦調(diào)制信號被模型化成了階梯波信號，見圖8。采用這種近似方法使載波移相 控制方便地實現(xiàn)了全數(shù)字化。 用兩種角度來分析這種模型化的誤差： a）要求階梯波與其原型正弦波面積相等。如圖8所示。 　　前1/4周期，階梯波的面積小于原正弦波。后1/4周期，階梯波面積大于原正弦波，不難看出，增大部分正好等于減小部分，從整個半周來看，正弦波與其階梯波面積相差甚微，由此可得出結論，模型化所帶來的面積誤差不大，只是階梯波比原正弦波延遲了半個載波周期，A、B、C三相都延遲半個載波周期，三相輸出的相位關系無任何變化。 b）從諧波的角度來分析。 　　前面誤差不大的說法是一種平均的觀點，階梯波必然包含諧波成分，失真是肯定的。經(jīng)過數(shù)學運算推導，按本設計中的參數(shù)計算，THD≈3.63% 。這就是正弦波模型化成階梯波的附加失真。階梯波的有效值與原正弦波相等，而階梯波的基波分量與原正弦波非常相近，主諧波遠高于基波。這就決定了這種波形完全適用于電機驅動，而不會產(chǎn)生轉矩脈動。從后來樣機實際運行的結果來看，完全證明了這一方案是合理的。 5 控制信號的傳輸 為了系統(tǒng)的可靠性，防止大電壓和大電流跳變對控制信號的干擾，控制信號采用光纖傳輸。各單元的控制信號是多通道并行傳輸，減少信號的中間處理環(huán)節(jié)。實用效果很好。 四 用戶操作監(jiān)控系統(tǒng) 　　面向用戶的整個操作監(jiān)控系統(tǒng)包括上位機（商用PC機）、下位機（工控機）、單片機，如圖9所示。其中單片機給用戶提供一個4位LED數(shù)碼屏和一個12鍵的小鍵盤操作平臺，可對變頻器進行全部操作，包括參數(shù)設置和各種運行指令。工控機用觸摸屏和通用鍵盤給用戶提供操作平臺。其功能更齊全，包括參數(shù)設定、功能設定、運行操作、運行數(shù)據(jù)與打印、故障查詢等等。上位機（商用PC機）放在總控室，可對多臺變頻器進行遙測、遙控。若只有一臺變頻器，上位機可省。 　　工控機功能強大，用文字敘述很費筆墨，這里僅示出一個主界面，見圖10。由圖看出其功能之齊全和操作的方便性。例如可查看或打印運行參數(shù)的歷史記錄，可查詢故障原因等等。 五、運行情況及研制總結 　　對用戶進行跟蹤服務，用戶反饋的信息是運行良好。對幾臺樣機的研制工作，公司進行了認真的總結，我們的結論是： 1 原理正確，結構合理。 2 軟件運行良好，功能基本齊全。 3 控制系統(tǒng)的電源有自己的特點，在主回路不加電、不加載（開路）的情況下，可為控制系統(tǒng)加電，這時各點波形與主回路加電、加載情況下的波形完全一樣。因而，可在不加電、不加載的情況下調(diào)試系統(tǒng)、培訓操作人員，也給現(xiàn)場安裝、調(diào)試、維修帶來方便。 4 采用正弦波的階梯化模型的近似方法，使載波移相技術方便地實現(xiàn)了全數(shù)字化,使單片機的有限資源得到了充分發(fā)揮。 參考文獻 1. 通用變頻器及其應用 第2版 韓安榮 2. 現(xiàn)代交流調(diào)速技術 胡崇岳