【正文】 背景、研發(fā)現(xiàn)狀及其對(duì)可持續(xù)發(fā)展的重要意義，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的探討，然后介紹了高壓變頻器內(nèi)部故障分析的 研究現(xiàn)狀和意義。但同時(shí)也帶來(lái)了許多新問(wèn)題。 I 摘 要 能源短缺和環(huán)境污染是人類面臨的共同的世紀(jì)性難題，如何實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保是當(dāng)今世界的焦點(diǎn)，而高壓變頻調(diào)速技術(shù)作為目前電機(jī)調(diào)速節(jié)能最有效的方式之一，引起眾多研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展、微機(jī)技術(shù)的日新月異和現(xiàn)代調(diào)速控制理論的長(zhǎng)足進(jìn)步，高壓變頻器得到了迅速的發(fā)展和應(yīng)用。本文主要針對(duì)二極管箝位三電平變頻器內(nèi)部故障的一些相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了研究。簡(jiǎn)要的介紹了二極管箝位三電平變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析了各組成部分功能，同時(shí)分析了三電平高壓變頻器的基本原理，其主要說(shuō)明了變頻調(diào)速的原理和三電平逆變器的工作原理。研究 了三電平高壓變頻器的功率開關(guān)模塊故障。然后在此仿真平臺(tái)上進(jìn)行三電平高壓變頻器內(nèi)部故障分析，故障分析主要針對(duì)故障發(fā)生率最高的功率開關(guān)模塊展開，分別討論了一個(gè)功率開關(guān)模塊和同時(shí)有兩個(gè)功率開關(guān)模塊發(fā)生故障的情況，然后根據(jù)不同組合的功率開關(guān)模塊故障時(shí)輸出電壓和電流的不同，提出了利用 idiq 圖識(shí)別故障功率開關(guān)模塊的方法，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)證實(shí)其可行性。 關(guān)鍵 詞：三電平；高壓變頻器；故障分析； Matlab 仿真；硬件設(shè)計(jì) 樊文輝：三電頻高壓變頻器優(yōu)化控制設(shè)計(jì) II ABSTRACT Energy shortage and environmental pollution is the mon problems for everybody in this century, how to achieve energy conservation and environmental protection is the focus of today39。 20世紀(jì) 70 年代以來(lái)兩次世界性的能源危機(jī)以及當(dāng)前環(huán)境問(wèn)題的嚴(yán)重性，引起世界各國(guó)對(duì)節(jié)能環(huán)保技術(shù)的高度重視。（單位 GDP 能耗，又叫萬(wàn)元 GDP 能耗，就是每產(chǎn)生萬(wàn)元 GDP 所消耗掉的能源，是一個(gè)能源利用效率指標(biāo)，指標(biāo)數(shù)值越小，說(shuō)明能源利用效率越高。為此，國(guó)家高度重視節(jié)能減排工作的實(shí)施，出臺(tái)了《國(guó)務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)節(jié)能工作的決定》。 在此背景下，作為國(guó)家發(fā)改委啟動(dòng)的十大重點(diǎn)節(jié)能工程之一的電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程顯得格外重要。由于采用直接恒速拖動(dòng)，每年造成大量的能源的浪費(fèi)。 研發(fā)意義 與傳統(tǒng)的交流拖動(dòng)系統(tǒng)相比，利用變頻技術(shù)的交流拖動(dòng)系統(tǒng)有許多突出的優(yōu)點(diǎn)。因此對(duì)高壓變頻調(diào)速裝置的研發(fā)顯得意義重大。 樊文輝：三電頻高壓變頻器優(yōu)化控制設(shè)計(jì) 2 高壓變頻技術(shù)的研發(fā)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 高壓變頻技 術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 高壓變頻器目前選用的主要功率器件 高壓變頻技術(shù)是隨著大功率電力電子器件的迅速發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的，只要出現(xiàn)新型的電力電子器件，高壓變頻技術(shù)就有新的飛躍。目前 IGBT 的最大容量為： 3300V， 1200A。目前 IGCT 最大容量為：反向阻斷型： 4500V， 4000A， 逆導(dǎo)型：5500V， 1800A，用于三電平逆變器時(shí)，輸出最高交流電壓為 4160V，如要求更高的輸出電壓，比如 6KV 交流輸出，只能采取器件直接串聯(lián) 【 4】 。 高壓變頻器目前的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 目前，世界各國(guó)在高壓變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究方面不像低壓變頻器一樣具有成熟的、一致性的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而是呈現(xiàn)多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)同時(shí)存在的局面。中性點(diǎn)箝位式三電平型是由日本學(xué)者 Ajura Nabae 教授于 1981 年提出的一種多電平的變頻器拓?fù)?，其拓?fù)鋱D 【 6】 如圖 11所示： 圖 11 二極管箝位三電平高壓變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 所謂三電平是相對(duì)于通用變頻器中使用廣泛的二電平拓?fù)涠缘?。三電平電壓源型高壓變頻器產(chǎn)品的典型代表有由 西門子公司研發(fā)的 SIMOVERT MV系列和由 ABB公司研發(fā)的ACS1000、 ACS6000 系列。另外，當(dāng)功率模塊出現(xiàn)故障時(shí)，可以保持電動(dòng)機(jī)的繼續(xù)運(yùn)行，減少停機(jī)造成的損失，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，模塊出現(xiàn)故障時(shí)可以迅速替換。功率單元串聯(lián)多電平高壓變頻器產(chǎn)品的典型代表有美國(guó)的羅賓康公司，日本的東芝、三菱、富士公司，國(guó)內(nèi)的利德華福、東方日立、廣東智光等。 (2) 在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面，基于雙 PWM 能量回饋的綠色變頻電路是變頻調(diào)速技術(shù)的 發(fā)展趨勢(shì) [14]，即整流部分也采用電力電子全控器件的高壓變頻電路。 (4) 在控制軟硬件方面，全數(shù)字式系統(tǒng)，更高等級(jí)的微處理器將應(yīng)用于高壓變頻 器以實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的控制算法，從而使得變頻器更加優(yōu)化。文獻(xiàn) [1][15]指出了高壓變頻器的幾類常 見故障，其中包括：過(guò)電壓故障、欠電壓故障、缺相故障等。如今關(guān)于分析高壓變頻器內(nèi)部故障的論文并不多，絕大部分涉及高壓變頻故障的文章，都是綜述性質(zhì)的，例如文獻(xiàn) [16][17][18]，而且這些故障中很大部分是針對(duì)外部因素引起的，而非內(nèi)部器件故障。文獻(xiàn) [20]介紹了 IGBT 過(guò)流保護(hù)的特點(diǎn)，提出了綜合保護(hù)方法，進(jìn)行了過(guò)流保護(hù)試驗(yàn)，并給出了實(shí)驗(yàn)波形。文獻(xiàn) [22]對(duì)變頻器中的各功率管開路故障進(jìn)行研究，詳細(xì)描述了變頻器在功率管開路下的電路工作情況及故障表現(xiàn)形式，并據(jù)此提出了根據(jù)檢測(cè)逆變器輸出側(cè) PWM 電壓和輸出電流極性的方法來(lái)診斷功率管開路故障的故障識(shí)別。文獻(xiàn) [24][25]詳細(xì)分析了三電平變頻器每一功率器件發(fā)生短路和斷路開路故障的空間矢量的特征，并提出了五種新型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用于發(fā)生單個(gè)功率器件發(fā)生故障時(shí)提高變頻器的容錯(cuò)性，使電動(dòng)機(jī)可以在故障情況下繼續(xù)運(yùn)行。 本文研究的主要內(nèi)容 本文基于實(shí)驗(yàn)室的 6kV/ 的中性點(diǎn)箝位三電平變頻器的研制項(xiàng)目。具體包括以下內(nèi)容： (1) 在進(jìn)行故障實(shí)驗(yàn)之前，必須首先建立實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 第 2 章 三電平高壓變頻器的基本理論 三電平高壓變頻器的基本原理 變頻調(diào)速的基本原理 按照電機(jī)學(xué) 【 27】 的基本原理，交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速滿足如 （ 21）的關(guān)系式： )1(60)1(0 sp fsnn ???? （ 21） 式中， n 為電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速； n0代表電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速； f 代表電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率； p 代表電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)； s為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率。由于轉(zhuǎn)差率 s 一般情況下比較小（ 0~），電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速 n 約等于電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速 n0，于是調(diào)節(jié)了電動(dòng)機(jī)的供電頻率 f ，就可以改變電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。 三電平逆變器的基本原理 圖 21為三電平逆變器一相橋臂的結(jié)構(gòu)圖，圖中每相橋臂由四個(gè)功率開關(guān)器件組成。三電平逆變器的三電平是指每相輸出電壓相對(duì)于中性點(diǎn) O 都有三種電壓狀態(tài)：＋ Ud/0、 Ud/2，其中 Ud 為正負(fù)直流母線間的電壓。 (1) 逆變器輸出電壓為＋ Ud/2 當(dāng)開關(guān)器件 Sa Sa2導(dǎo)通， Sa Sa4關(guān)斷時(shí)， A相輸出端接到直流母線的 P端， 此時(shí) A相的輸出相電壓為 UA=＋ Ud/2，根據(jù)電流方向的不同，可分成兩種情況： 樊文輝：三電頻高壓變頻器優(yōu)化控制設(shè)計(jì) 6 圖 21 三電平逆變器一相橋臂結(jié)構(gòu)圖 當(dāng)負(fù)載電流 i 由 A 端流向負(fù)載時(shí)，此時(shí)電流由 P端流出，經(jīng)過(guò) Sa Sa2到 A端， 再流向負(fù)載，此時(shí)反并聯(lián)二極管 Da Da2 不導(dǎo)通，電流流通路徑如圖 22（ I）所示。此時(shí) Da Da2 導(dǎo)通， Sa Sa2 由于承受反壓而處于截止?fàn)顟B(tài)，電流流通路徑如圖 22（ II）所示。當(dāng)負(fù)載電流 i 由負(fù)載流向 A 端時(shí)，此時(shí)電流由 A端流入，經(jīng)過(guò) Sa Da流到 O端。 江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 I II 圖 23 三電平逆變器 0狀態(tài)輸出 (3) 逆變器輸出電壓為 Ud/2 當(dāng)開關(guān)器件 Sa Sa4導(dǎo)通， Sa Sa2關(guān)斷時(shí)， A相輸出端接到負(fù)母線輸出 N端， 此時(shí) A相的輸出相電壓為 UA=Ud/2，同樣也可以分成兩種情況： 當(dāng)負(fù)載電流 i 由 A 端流向負(fù)載時(shí)，此時(shí)電流由 N端流出，經(jīng)過(guò)二極管 Da Da4 流到 A 端，再流向負(fù)載，此時(shí) Sa Sa4 由于承受反壓處于截止?fàn)顟B(tài)，電流流通路徑如圖 24（ I）所示。此時(shí) Sa Sa4 導(dǎo)通，其余管子均不導(dǎo)通，電流流通路徑如圖 24（ II）所示。為了減少功率開關(guān)器件的開關(guān)次數(shù)通常規(guī)定，輸出電壓不允許＋ Ud/2 和 Ud/2 之間直接變化，只能是從＋ Ud/2到 0、 0到 Ud/2，或者相反的變化。 (1) U/f 恒定控制： U/f 恒定控制是在控制電動(dòng)機(jī)電源頻率變化的同時(shí)控制變頻器的輸出電壓，并使二者之比為一恒定值，從而使電動(dòng)機(jī)的磁通基本保持恒定。電動(dòng)機(jī)端電壓 U1 和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) E1 的關(guān)系式為： 1111 )1( IjxrEU ??? （ 24） 式中為 r1定子電阻，為 x1定子漏電抗， I1為定子電流。由式（ 23）可以看出，當(dāng)電動(dòng)機(jī)電源頻率發(fā)生變化時(shí)，若電動(dòng)機(jī)電壓不跟著變化，那么電動(dòng)機(jī)的磁通將會(huì)出現(xiàn)飽和或欠勵(lì)磁。由于電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的檢測(cè)比較困難，同時(shí)考慮到電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電壓和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)近似接近，故可通過(guò)控制 U/f 一定來(lái)維持磁通的恒定。 (2) 轉(zhuǎn)差頻率控制：需要檢測(cè)出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，構(gòu)成速度閉環(huán)，速度調(diào)節(jié)器的輸 出為轉(zhuǎn)差頻率，然后以電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)差頻 率之和作為變頻器的給定輸出頻率。 當(dāng)轉(zhuǎn)差率 s 很小時(shí) ,可以忽略式（ 25）中的 Sr1及 s2（ x1+ x2），則異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩可用如下近似公式計(jì)算： 江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 21211e )w(3 rswUPT ? （ 26） 由式（ 26）可以看出，當(dāng)頻率一定時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩正比于轉(zhuǎn)差率，機(jī)械特性為直線，式中 sω 1為轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率，稱為轉(zhuǎn)差頻率，用ω s 表示。 (3) 矢量控制：其基于電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，分別控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流和勵(lì) 磁電流，具有直流電動(dòng)機(jī)相類似的控制性能 [28][29]。異步電動(dòng)機(jī)在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型包括電壓方程、磁鏈方程和電磁轉(zhuǎn)矩方程 [30]。R 為電阻； L 為電感； p為極對(duì)數(shù)；ω 1 樊文輝：三電頻高壓變頻器優(yōu)化控制設(shè)計(jì) 10 為同步轉(zhuǎn)速； ω s 為轉(zhuǎn)差角速度； Tr 為轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)； P為微分因子。 由此可見，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和定子電流的轉(zhuǎn)矩分量成比例，只需控制定子電流分量 即可控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，且轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的速度和電流響應(yīng)速度相等。和傳統(tǒng)的磁場(chǎng)定向矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制是通過(guò)查表的方法選擇一個(gè)最優(yōu)矢量，把轉(zhuǎn)矩作為被控量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的直接控制。由式（ 214）可知，轉(zhuǎn)矩角θ可以直接影響電磁轉(zhuǎn)矩 Te。為了實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器控制，采用基于定子電壓和電流的改進(jìn)型磁鏈觀測(cè)模型，對(duì)定子磁鏈進(jìn)行估算。 本章小結(jié) 本章主要介紹了本實(shí)驗(yàn)所采用的三電平高壓變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對(duì)組成該結(jié)構(gòu)的各個(gè)部分的功能做了比較簡(jiǎn)單明了的解釋，另外，也簡(jiǎn)單的介紹了變頻調(diào)速的基本原理和三電平逆變器工作的基本原理，最后介紹了三電平高壓變頻器對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)的控制策略。其中涉及到 DCLink 環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，輸出濾波器的設(shè)江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 計(jì)，功率模塊驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)和 DSP 的應(yīng)用等。其主要由三相自耦變壓器、三相不控整流模塊、直流環(huán)節(jié)、逆變環(huán)節(jié)和輸出濾波器組成。 自耦變壓器 三相不控整流 直流環(huán)節(jié) DCLink 三電平逆變器 濾波器 負(fù)載 中間直流環(huán)節(jié)（ DCLink 環(huán)節(jié)） 直流環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)計(jì) 直流環(huán)節(jié)（ DCLink 環(huán)節(jié)）由直流分壓濾波電容（ Cd）、限流電抗器（ Lc）、限流 電阻（ Rc）、限流二極管（ Dc）及箝位電容（ Cc）五部分組成，如圖 32 所示。保持功率器件開關(guān)過(guò)程中正、負(fù)母線對(duì)中心點(diǎn)電位，限制逆變側(cè)器件的關(guān)斷過(guò)電壓。但要實(shí)現(xiàn)以上功能，需要合理地選擇限流電抗、箝位電容以及限流電阻的參數(shù) [33]。根據(jù)該方法，結(jié)合所用的功率模塊 6MBP25RA120 的特性，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的直流環(huán)節(jié)的參數(shù)可選擇為：限流電抗器（ Lc）為 30μ H，限流電阻（ Rc）為 、箝位電容（ Cc）為 6μ F。具體分析如下，分析電路如圖 33 所示。設(shè) A 相在 t0 時(shí)刻由 Sa1向 Sa2 切換，則 Sa1 關(guān)斷， iDC 中的 A 相電流部分將通過(guò) DCLink 環(huán)節(jié)衰減，負(fù)載電流經(jīng)由 Sa Da+及輸出濾波電抗形成回路。如果 iDC 中的 A 相電流部分在 t1 時(shí)刻前已經(jīng)衰減至 0，則 B相箝位二極管 Db+的電流下降速度取決與 DCLink 環(huán)節(jié)限流電感及直流電壓，調(diào)節(jié)限流電感即可限制相應(yīng)的反向恢復(fù) di/ dt。同理，當(dāng) A、 B相電流異向時(shí)也可得出類似的結(jié)論。第一種方法會(huì)造成變頻器輸出諧波較大，而且會(huì)阻礙變頻器控制方式的升級(jí)，不建議采用。因此，建議采用修正主回路結(jié)構(gòu)的方法解決問(wèn)題。經(jīng)過(guò)這樣的修改之后，每相電流的暫態(tài)過(guò)程通過(guò)各自