功率单元串联方案变频器提高可靠性的研究

何静

摘 要： 多电平结构的变频器有诸多优势，如多重化整流、多电平输出，适用于普通电机，对电缆长度无要求，功率因数高等，但其单元数量众多，从可靠性上考虑，故障概率较高，在有些高可靠性需求的现场对变频器的可靠性提出99.99%的要求，如何提高多电平变频系统可靠性是一个研究方向，本文就有效提高设备可靠性进行介绍。

关键词： 多电平变频器;单元旁路;风机冗余;智能提示;涌流抑制

【中图分类号】TN77     【文献标识码】A     【文章编号】1674-3733（2020）05-0125-02

1 多电平变频器原理概述

高压变频器输出电压通常来自于数个输出电压（功率单元）叠加，为说明高压变频器输出电压的组成，本文现以高压变频器6kV电压叠加（5级功率单元）原理为例对此进行如下阐述。

假设：6kV电网电压，且功率单元输入电压即变压器副边输出电压690V，那么输出电压峰值（所有功率单元）同样是690V，因此我们只要串联同相的5个单元即可获得如下相电压：

690V×5=3450V

因为其所采用的是三相星型连接，因此有如下线电压：

1.732×3450V≈6000V

由此可以看出此值满足电网电压标准。

阶梯正弦PWM波形具有许多优势，比如du/dt小，有比较理想的正弦度，对电缆、电动机绝缘有一定的保护功能;输出滤波器保持不变即能显著延长输出电缆;在设备升级过程中，无需降额使用电机即能发挥相关功能;可以显著减少电机谐波损耗，将由此导致的机械振动消除，传动部分与轴承机械应力均会因此而出现一定程度弱化。阶梯正弦PWM波形获取并不难，通过功率单元串联即能获得。

所以对此类变频系统可靠性提高提出了更高的要求，经综合分析，影响变频系统可靠性的主要是单元和风机散热系统。

2 可靠性提升优化建议方案

2.1 单元模块旁路作用。将接触器安装配置在功率单元输出端即可形成接触器式功率单元旁路。某一功率单元的故障只要被变频器控制机测获，其即能将旁路指令发出，就此闭合有关接触器，切断电路与故障单元的输出，连接起毗邻故障单元的两个单元，从输出电路内迅速分离故障单元，随之重启变频器、降额运行。

中性点漂移技术：变频器的电流容量不会受到故障单元旁路干扰，这是因为其各相单元全部采用串联策略连接，但会降低电压容量。为最大限度地使用剩余单元所提供的电压容量，本旁路系统采用的是先进的中性点漂移技术。该技术只旁路故障单元，利用所有剩下单元来提高输出线电压。

变频器输出三相单元中性点不会吻合电动机中性点，也就是说二者可以处于偏离状态，这主要是因为二者并未连接起来，而且变频器输出三相单元中性点是浮动的。平衡的电机电压通常能以单元电压的相位角调节为前提而被获得。其原理如下图1所示。

当三相剩余单元数分别为a、b、c个时，可以调整三相之间的相角α，β，γ，从而得到平衡的输出线电压。

中性点漂移和同级旁路技术输出线电压容量对比如图2所示。

对于8级串联型高压变频器，当一相上出现一个单元损坏时，同级旁路技术仅提供87.5%的输出电压容量，而中性点漂移技术可以提供95.6%的输出线电压容量，对应最大输出频率为47.8Hz，可以满足现场工艺需求。

2.2 风机冗余配置。对于多电平方案的变频系统，功率单元数量较多，考虑安全可靠性，配置单元旁路可满足可靠性提升的要求，另外运行中需维护的就是散热风机系统，变频器自身通过选择一流风机厂商产品，提高可靠性，另一方面，风机设计上针对本项目配置冗余功能，并通过专门的机械结构防止风短路，并有专门的PLC做所有风机的状态判断和逻辑控制。使变频器的可靠性进一步提高。保证系统可达到长期可靠运行的要求。通过上述配置，保证风机在故障时，变频器运行不受任何影响。大大提高了整机的可靠性。

2.3 变频器配置涌流抵制系统。针对该项目，荣信公司选用的隔离变压器为干式变压器。输入电压为10kV，容量选定是依据招标要求整个变频驱动系统过载能力，同时考虑电机效率（注电机功率因数电压源变频器可以不与考虑）、变频器效率等因素后核算出来的，且干式变压器具有长寿命免维护的特点。

（1）励磁涌流：变压器铁芯在排除外部故障后电压恢复或变压器空载合闸条件下将会严重饱和，磁通（铁芯内）无法突变是其主要原因。强大的冲击电流会因此而在变压器线圈中出现，这就是所谓励磁涌流。变压器铁芯饱和程度会显著影响到励磁涌流大小，二者之间呈正相关关系。励磁涌流幅值通常会6-8倍于变压器额定电流，励磁涌流不会直接损害到变压器本身，但其继保设备会因此而出现误操作。基于效率提升需要，大容量变压器通常有极高的工作磁通密度，励磁涌流导致的继保设备误操作现象更频繁。

（2）励磁涌流抑制方法

1）串聯电阻法：

变压器合闸过程中，如果我们将适当电阻串联在电网和变压器输入端之间，则能对冲击电流形成有效限制，让冲击电流不断变小，一直降至等于或小于额定电流，我们即可将限流电阻切除。串联电阻法可以对冲击电流形成有效约束，这对迅速弱化合闸冲击电流比较有利。

2）选相位合闸法：

分析励磁涌流干扰因素结果表明，合闸初相角会明显影响到变压器励磁涌流值。因此我们可以基于三相开关合闸初相角（三相合闸时间）控制途径来实现励磁涌流幅值削弱目标。

（3）本项目抑制合闸励磁涌流方案：

选相位合闸法为本次供货装置采用，这样可以将在高压上电（10kV）过程中隔离变压器合闸浪涌过于明显的冲击情况避免。这种方案的优势就在于能将充电绕组设置于变压器副边进行预充电，通过高压相位对一次高压合闸（10kV）形成控制。

另外，变频器直流电压采用干式薄膜电容，控制回路增加浪涌抵制器，输入输出信号隔离等措施也对可靠性提高有显著作用。

结束语：通过上述提升可靠性的设计，变频系统的可靠性大幅提高，可适用于关键负荷，为工业生产的连续运行，提供强有力的保障。

参考文献

[1] 李华德，交流调速控制系统[M]北京：电子工业出版社.

[2] 丛培城，变频器故障诊断及相应控制策略研究.哈尔滨工业大学：2011.

[3] 荣信高压变频用户手册2015版.