采用智能化單元的高壓變頻調(diào)速裝置

　　1　引言

　　高壓變頻的方式有多種，如高-低-高方式、三電平方式、元器件直接串聯(lián)的二電平方式、單元串聯(lián)的多電平方式等。在國(guó)內(nèi)發(fā)展比較快、應(yīng)用比較廣的方式是單元串聯(lián)多電平方式，本文中談到的高壓變頻調(diào)速裝置除特別注明均為單元串聯(lián)多電平方式的高壓變頻調(diào)速裝置。

　　單元串聯(lián)多電平方式的高壓變頻調(diào)速裝置從組成來(lái)看主要包括輸入變壓器、功率單元、主控制器三部分。輸入變壓器的主要功能是為功率單元提供電源；功率單元主要完成三相交流輸入至單相交流輸出的整流逆變功能；主控制器主要完成所有單元的協(xié)調(diào)工作以及對(duì)外的接口功能。從控制方法的實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō)，主要有兩種途徑，一種我們稱(chēng)之為集中控制型，一種稱(chēng)之為智能單元型。

　　集中控制型的高壓變頻調(diào)速裝置中功率單元的spwm波是由主控制器產(chǎn)生，功率單元得到的是逆變橋（逆變功率元件通常為igbt）的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)和旁路開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)。單元內(nèi)部經(jīng)過(guò)硬件測(cè)量形成的狀態(tài)量經(jīng)編碼器編碼發(fā)送給主控制器，主控制器接收所有單元的編碼進(jìn)行邏輯控制。

　　當(dāng)前市場(chǎng)上多數(shù)單元串聯(lián)多電平方式的高壓變頻調(diào)速裝置都屬于這種集中控制型的變頻裝置。

　　智能單元型的高壓變頻調(diào)速裝置中功率單元的spwm波由單元根據(jù)主控制器的調(diào)頻指令，經(jīng)單元根據(jù)自身狀態(tài)修正后產(chǎn)生。主控制器接收單元的狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行邏輯控制并協(xié)調(diào)所有的單元同步工作。

　　上海科達(dá)機(jī)電控制有限公司研制生產(chǎn)的maxf系列高壓變頻調(diào)速裝置屬于智能單元型的變頻裝置。

　　2 智能化單元的定義

　　什么樣的單元是智能化單元呢？這里我們對(duì)智能化單元做一個(gè)定義，所謂智能化單元就是單元具有自已獨(dú)立的控制器，能夠獨(dú)立完成單元自身的測(cè)量、保護(hù)、spwm波形逆變等實(shí)時(shí)控制功能并能夠接收外部指令完成相應(yīng)功能的功率單元。

　　單元具有自己獨(dú)立的控制器，也就是說(shuō)單元內(nèi)部需要有cpu，但并不是說(shuō)單元具有cpu就是智能化單元，這個(gè)cpu需要能夠完成單元的測(cè)量、控制，也就是說(shuō)單元內(nèi)部可以進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換進(jìn)行模擬量測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果實(shí)現(xiàn)軟件的邏輯控制、保護(hù)功能；同時(shí)單元內(nèi)的cpu需要完成單元自身的逆變控制功能，即單元自身能夠根據(jù)需要完成單相交流輸出波形，承擔(dān)了變頻控制的主要功能；為了和其它單元協(xié)調(diào)工作，單元需要具備交互控制功能，即單元可以接收指令、數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以輸出自己的狀態(tài)和數(shù)據(jù)；總的來(lái)說(shuō)，智能化單元本身就是一個(gè)三相交流輸入、單相交流輸出的低壓變頻器，具備測(cè)量、逆變、接口等所有主要功能。

　　3　采用智能化單元的目的

　　為什么要采用智能化單元呢？

　?。?）智能化單元是控制功能的分解，即功率單元承擔(dān)了逆變控制的主要功能，單元cpu直接控制功率元件，沒(méi)有中間環(huán)節(jié)，這樣的實(shí)時(shí)控制更加直接、控制速度更快；

　?。?）功率單元獨(dú)立完成自身的測(cè)量、保護(hù)及逆變控制，控制功能模塊化，控制功能獨(dú)立，減少了模塊控制之間的相互影響，提高了模塊控制的可靠性和獨(dú)立性；

　　（3）采用了智能化單元后，主控制器的控制邏輯簡(jiǎn)化，cpu控制資源充足，軟件的編制簡(jiǎn)化，軟件的可靠性得到提高；

　　（4）采用智能化單元，由于單元具有自己的cpu，具有豐富的i/o資源，可以對(duì)更多的數(shù)字量進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)可以進(jìn)行模擬量測(cè)量，可以對(duì)更多的單元內(nèi)部量進(jìn)行監(jiān)控；

　?。?）采用智能化單元，可以實(shí)現(xiàn)更多的功能，例如單元的投切功能，輸出波形的優(yōu)化功能，調(diào)整載波頻率等；

　?。?）采用智能化單元，方便產(chǎn)品功能的擴(kuò)充和提升。

　　4　智能化單元實(shí)現(xiàn)的功能

　　智能化單元由于具有單元自身的cpu，可以方便地實(shí)現(xiàn)各種功能。

　　（1）從測(cè)量方面來(lái)講，可以實(shí)現(xiàn)單元直流側(cè)電壓、輸出電壓、輸出電流、功率元件溫度等模擬量的測(cè)量，可以監(jiān)測(cè)硬件的過(guò)壓、過(guò)流等數(shù)字量的輸入；

　　（2）從保護(hù)方面講，可以根據(jù)模擬量測(cè)量的數(shù)據(jù)方便地實(shí)現(xiàn)軟件過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)溫等保護(hù)邏輯，同時(shí)可以根據(jù)數(shù)字量的輸入狀態(tài)讀入硬件保護(hù)的狀態(tài)；

　　（3）從控制功能方面講，單元可以根據(jù)需要自己產(chǎn)生spwm輸出波形，完成對(duì)波形的細(xì)化、優(yōu)化，根據(jù)調(diào)頻指令自動(dòng)調(diào)整輸出電壓、輸出頻率；正因?yàn)閱卧陨砜梢赃M(jìn)行逆變控制，因此可以實(shí)現(xiàn)較高的載波頻率，有效降低裝置的輸出電流諧波；采用智能化單元可以實(shí)現(xiàn)單元輸出電壓的任意控制，即各個(gè)單元的輸出電壓根據(jù)需要可以一致，也可以不一致，方便實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置三相輸出的自動(dòng)平衡。

　　（4）采用智能化單元可以實(shí)現(xiàn)單元的快速旁路，即單元的快速退出；這個(gè)退出可以是主動(dòng)退出也可以是被動(dòng)退出，主動(dòng)退出是指在調(diào)試過(guò)程中通過(guò)指令主動(dòng)退出個(gè)別單元來(lái)驗(yàn)證單元的退出功能、裝置的輸出自動(dòng)平衡功能、裝置的抗擾動(dòng)功能等功能；被動(dòng)退出是指裝置出現(xiàn)故障時(shí)的退出；單元的快速退出可以減小對(duì)裝置的擾動(dòng)，提高裝置的可靠性。

　　（5）采用智能化單元可以實(shí)現(xiàn)單元在退出狀態(tài)下的主動(dòng)投入，即退出運(yùn)行的單元在其它單元正常運(yùn)行的情況下可以加入運(yùn)行序列中。配合單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如單元外殼的絕緣設(shè)計(jì)、輸入輸出的插拔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，可以實(shí)現(xiàn)功率單元的在線維護(hù)，即出現(xiàn)故障的功率單元可以在裝置不停機(jī)的狀態(tài)下進(jìn)行在線更換，極大地提高了裝置的連續(xù)運(yùn)行能力，對(duì)可靠性要求高的應(yīng)用場(chǎng)合具有很強(qiáng)的適用性。

　?。?）從通訊方面講，智能化單元可以方便地實(shí)現(xiàn)串行通訊，可以進(jìn)行通訊校驗(yàn)，減少通訊錯(cuò)誤；由于通訊數(shù)據(jù)不參與實(shí)時(shí)控制，因此數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求較低，數(shù)據(jù)的傳輸量可以比較大，較完善地實(shí)現(xiàn)了單元和外界的接口功能。

　?。?）采用智能化單元，可以具備更多的測(cè)量數(shù)據(jù)、更加實(shí)時(shí)的控制方式，因此可以進(jìn)行更加完善的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，而且可以實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確、完善的故障定位。

　　5　集中控制型和智能單元型高壓變頻裝置的比較

　　集中控制型高壓變頻調(diào)速裝置和智能單元型高壓變頻調(diào)速裝置均為單元串聯(lián)多電平方式的高壓變頻裝置，兩者的主回路相同，均為帶有輸入變壓器的直接高-高方式的電壓源型高壓變頻裝置，由于二者控制部分實(shí)現(xiàn)的途徑不同，因此具有各自不同的特點(diǎn)，以下是二者的比較。

　　（1）控制結(jié)構(gòu)：集中控制型為單處理器控制，即主控制器處理器；智能單元型為多處理器控制，每個(gè)功率單元至少有一個(gè)處理器，主控制器至少一個(gè)處理器，對(duì)于6kv系統(tǒng)，如果每相5個(gè)單元串聯(lián)，則至少有16個(gè)處理器同時(shí)協(xié)調(diào)工作。

　?。?）硬件結(jié)構(gòu)：集中控制型的單元功能較少，硬件結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單；智能單元自身具有cpu的控制部分，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)的功能較多，因此硬件結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜。

　?。?）通訊速率要求：集中控制型的裝置主控制器參與實(shí)時(shí)控制，因此主控制器和單元之間的通訊速率要求很快，否則無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)控制的要求；智能單元型的裝置因主控制器不直接進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，因此對(duì)通訊速率的要求較低。

　?。?）容錯(cuò)性：對(duì)于集中控制型的裝置，通訊的數(shù)據(jù)是用來(lái)進(jìn)行直接實(shí)時(shí)控制的，不允許通訊數(shù)據(jù)出錯(cuò)，否則將帶來(lái)不可預(yù)知的結(jié)果，因此其通訊數(shù)據(jù)的容錯(cuò)性較差，比較容易出現(xiàn)因光線通訊出錯(cuò)而造成單元退出甚至裝置退出運(yùn)行；對(duì)于智能單元型的裝置，通訊的數(shù)據(jù)是指令和單元狀態(tài)量，均不直接參與實(shí)時(shí)控制，同時(shí)通訊的雙方（智能單元和主控制器）可以進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，對(duì)錯(cuò)誤的指令和狀態(tài)可以進(jìn)行判斷，因此具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性。

　　由于智能單元型裝置的通訊速率較低，能夠進(jìn)行通訊校驗(yàn)和糾錯(cuò)，容錯(cuò)性很強(qiáng)，因此其主控制器和單元之間的通訊可靠性很高，這是保證裝置正常工作的重要環(huán)節(jié)。

　　（5）單元的載波頻率：集中控制型的裝置受到通訊速率的限制，單元的載波頻率較低，一般為600hz~1000hz；智能單元從綜合開(kāi)關(guān)損耗和諧波等考慮，其載波頻率較高，通常為2000hz左右。載波頻率的高低是影響輸出電流諧波的重要因素，載波頻率高，輸出電流諧波較小。

　　（6）在線維護(hù)：對(duì)于集中控制型的裝置來(lái)說(shuō)，在裝置運(yùn)行狀態(tài)下，個(gè)別功率單元退出運(yùn)行后，無(wú)法將退出的單元重新投入運(yùn)行，即使結(jié)構(gòu)上采取措施，也無(wú)法用備用單元進(jìn)行裝置的在線維護(hù)；智能化單元可以在裝置運(yùn)行的狀態(tài)下進(jìn)行單