一种级联型高压变频器中性点偏移的方法与流程

本发明属于工业电气传动，具体涉及一种级联型高压变频器中性点偏移的方法。

背景技术：

1、随着高压、大电流、高开关频率半导体功率器件与微处理器技术的发展，电力电子设备在工业电气传动技术领域应用日益广泛，变频器驱动电机调速运行就是一个典型代表。在高压大功率、高可靠性的应用场合，由于功率单元级联型高压变频器采用的功率单元易于模块化制造、可互相替代以及通过增加功率单元数量提高输出电压和容量等优点，因此，级联型变频器被广泛使用。

2、目前，典型的功率单元级联型高压变频器，如图1所示，电网交流电源施加至移相变压器一次绕组r相、s相、t相，变压器将一次绕组电压降压、移相后由变压器二次绕组将交流电源输入至功率单元a1-a4，b1-b4、c1-c4，功率单元a1、a2、a3、a4的输出串联为作为变频器输出电源a相，功率单元b1、b2、b3、b4的输出串联为作为变频器输出电源b相、功率单元c1、c2、c3、c4的输出串联为作为变频器输出电源c相，连接成星型三相高压电源供电给电机。

3、典型的用于级联变频器的功率单元结构，如图2所示，功率单元采用半导体功率器件将交流电源输入整流为直流电源，直流电源连接至滤波电容形成直流母线，直流母线作为逆变电路的直流输入，通过控制逆变电路半导体功率器件q1、q2、q3、q4的开关顺序形成单相交流电源输出。主控制器利用调制信号和载波信号比较生成pwm波(脉冲宽度调制波)，将pwm波送至功率单元控制器，由功率单元控制器驱动逆变电路半导体功率器件q1、q2、q3、q4开关。

4、功率单元级联型高压变频器在高可靠性场合应用时，通常会采用功率单元冗余设计，在一个或多个功率单元故障后，通过瞬时中断所有功率单元输出、旁路故障功率单元、采用中性点偏移方法重新计算用于控制各功率单元输出的pwm波，在变频器输出短时中断后重新输出负载所需的电压，以达到工艺过程不中断并继续长期运行的目的。在故障功率单元被旁路后，如果继续保持中性点电压不变，那么变频器输出相电压和线电压均会不对称，为此可实施中性点偏移，尽管相电压仍不对称，但输出线电压对称，可满足电机稳定运行。采用合适的中性点偏移方法才能确保变频器输出三相线电压平衡，避免因输出三相线电压不平衡引起电机异常发热、振动导致设备损坏。

5、目前，采用中性点偏移方法，计算中性点偏移后各相间角度α，β，γ时，认为每个功率单元直流母线电压一致，功率单元输出相电压幅值一致，进行a、b、c三相电压幅值的计算。但是，实际应用时，由于各功率单元对应二次绕组输入阻抗、变比存在差异，使各功率单元输入电压存在差异，进而使各功率单元内部直流母线电压、功率单元输出相电压幅值产生差异，尤其在一个或多个功率单元故障旁路后，变压器二次绕组的阻抗发生变化，各功率单元输入电压差异、各功率单元内部直流母线电压差异、功率单元输出相电压幅值差异将增加，按上述方法计算出的中性点偏移后各相间角度α，β，γ，生成调制波控制功率单元时，将不能得到平衡的三相线电压。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种级联型高压变频器中性点偏移的方法，该方法适用于级联型高压变频器功率单元故障旁路处理，能够有效解决中性点偏移后三相输出线电压不平衡的问题。

2、实现本发明目的的技术方案：

3、一种级联型高压变频器中性点偏移的方法，所述方法包括：功率单元发生故障后，根据各相电压幅值计算各功率单元直流母线电压差异的中性点偏移后各相电压的偏移角度，主控制器根据各相电压的偏移角度生成各相调制波信号，主控制器利用调制波信号与三角载波信号比较通过脉冲宽度方法产生pwm波，并将pwm波信号送至功率单元控制板，功率单元控制板驱动逆变电路半导体功率器件开关产生所需输出电压。

4、各相调制波信号的计算公式为：

5、uaref＝k*cos(theta-ai)

6、ubref＝k*cos(theta+4π/3+bi)

7、ucref＝k*cos(theta+2π/3+ci)

8、其中，

9、uaref：a相调制波信号，

10、ubref：b相调制波信号，

11、ucref：c相调制波信号，

12、theta：调制波信号uaref的当前相角，

13、k：当前调制波峰值，

14、ai：中性点偏移后a相电压o′a滞后于中性点偏移前a相电压oa的偏移角度，

15、bi：中性点偏移后b相电压o′b超前于中性点偏移前b相电压ob的偏移角度，

16、ci：中性点偏移后c相电压o′c超前于中性点偏移前c相电压oc的偏移角度。

17、各功率单元直流母线电压差异的中性点偏移后各相电压的偏移角度的计算公式为：

18、

19、其中，

20、ai：中性点偏移后a相电压o′a滞后于中性点偏移前a相电压oa的偏移角度，

21、bi：中性点偏移后b相电压o′b超前于中性点偏移前b相电压ob的偏移角度，

22、ci：中性点偏移后c相电压o′c超前于中性点偏移前c相电压oc的偏移角度，

23、aj：中性点偏移后a相相电压o′a和ac间夹角，

24、bj：中性点偏移后b相相电压o′b和bc间夹角，

25、cj：中性点偏移后c相相电压o′c和ac间夹角，

26、a：中性点偏移后a相电压幅值，

27、b：中性点偏移后b相电压幅值，

28、c：中性点偏移后c相电压幅值，

29、x：中性点偏移前、后输出线电压幅值。

30、所述变频器为每相4个功率单元串联的变频器，各相电压幅值的计算公式为：

31、

32、其中，

33、udca1、udca2、udca3、udca4：分别为功率单元a1、a2、a3、a4的直流母线电压，

34、udcb1、udcb2、udcb3、udcb4：分别为功率单元b1、b2、b3、b4的直流母线电压，

35、udcc1、udcc2、udcc3、udcc4：分别为功率单元c1、c2、c3、c4的直流母线电压，

36、udcnom：变频器输出相电压峰值基值，

37、ue：变频器额定输出线电压有效值。

38、所述变频器为每相n个功率单元串联的级联型变频器，n为整数。

39、所述方法应用于vf控制的功率单元级联变频器，通过计算出的三相偏移角度进行两相静止坐标系和三相静止坐标系的变换，应用于矢量控制的功率单元级联变频器。

40、本发明的有益技术效果在于：

41、本发明提供的一种级联型高压变频器中性点偏移的方法，采用考虑直流母线电压差异因素后的各相电压幅值a、b、c，可计算出中性点偏移后a相电压o′a相对于中性点偏移前a相电压oa的偏移角度ai，b相电压o′b相对于中性点偏移前b相电压ob的偏移角度bi，c相电压o′c相对于中性点偏移前c相电压oc的偏移角度ci，并使用偏移角度ai、bi、ci参与主控制器生成控制功率单元的调制波的计算。本发明方法在级联型高压变频器功率单元故障旁路后，尤其是在各功率单元直流母线电压存在差异时，三相输出线电压不平衡率较现有技术更低，能够有效解决中性点偏移后三相输出线电压不平衡的问题。