采用智能化单元的高压变频调速装置

摘 要 ：本文简单介绍了单元串联多电平方式高压变频调速装置的两种控制实现途径，提出了智能化功率单元的定义，介绍了智能化单元实现的功能，对集中控制型的装置和智能单元型的装置进行了比较，认为采用智能单元的高压变频调速装置技术更先进、可靠性更高。关键词： 高压变频 单元串联多电平 智能化单元1　引言　　高压变频的方式有多种，如高-低-高方式、三电平方式、元器件直接串联的二电平方式、单元串联的多电平方式等。在国内发展比较快、应用比较广的方式是单元串联多电平方式，本文中谈到的高压变频调速装置除特别注明均为单元串联多电平方式的高压变频调速装置。　　单元串联多电平方式的高压变频调速装置从组成来看主要包括输入变压器、功率单元、主控制器三部分。输入变压器的主要功能是为功率单元提供电源；功率单元主要完成三相交流输入至单相交流输出的整流逆变功能；主控制器主要完成所有单元的协调工作以及对外的接口功能。从控制方法的实现来说，主要有两种途径，一种我们称之为集中控制型，一种称之为智能单元型。　　集中控制型的高压变频调速装置中功率单元的SPWM波是由主控制器产生，功率单元得到的是逆变桥（逆变功率元件通常为IGBT）的开关控制信号和旁路开关的控制信号。单元内部经过硬件测量形成的状态量经编码器编码发送给主控制器，主控制器接收所有单元的编码进行逻辑控制。　　当前市场上多数单元串联多电平方式的高压变频调速装置都属于这种集中控制型的变频装置。　　智能单元型的高压变频调速装置中功率单元的SPWM波由单元根据主控制器的调频指令，经单元根据自身状态修正后产生。主控制器接收单元的状态信号进行逻辑控制并协调所有的单元同步工作。　　上海科达机电控制有限公司研制生产的MAXF系列高压变频调速装置属于智能单元型的变频装置。2 智能化单元的定义　　什么样的单元是智能化单元呢？这里我们对智能化单元做一个定义，所谓智能化单元就是单元具有自已独立的控制器，能够独立完成单元自身的测量、保护、SPWM波形逆变等实时控制功能并能够接收外部指令完成相应功能的功率单元。　　单元具有自己独立的控制器，也就是说单元内部需要有CPU，但并不是说单元具有CPU就是智能化单元，这个CPU需要能够完成单元的测量、控制，也就是说单元内部可以进行A/D转换进行模拟量测量，根据测量结果实现软件的逻辑控制、保护功能；同时单元内的CPU需要完成单元自身的逆变控制功能，即单元自身能够根据需要完成单相交流输出波形，承担了变频控制的主要功能；为了和其它单元协调工作，单元需要具备交互控制功能，即单元可以接收指令、数据，同时也可以输出自己的状态和数据；总的来说，智能化单元本身就是一个三相交流输入、单相交流输出的低压变频器，具备测量、逆变、接口等所有主要功能。3　采用智能化单元的目的　　为什么要采用智能化单元呢？　　（1）智能化单元是控制功能的分解，即功率单元承担了逆变控制的主要功能，单元CPU直接控制功率元件，没有中间环节，这样的实时控制更加直接、控制速度更快；　　（2）功率单元独立完成自身的测量、保护及逆变控制，控制功能模块化，控制功能独立，减少了模块控制之间的相互影响，提高了模块控制的可靠性和独立性；　　　　（3）采用了智能化单元后，主控制器的控制逻辑简化，CPU控制资源充足，软件的编制简化，软件的可靠性得到提高；　　　　（4）采用智能化单元，由于单元具有自己的CPU，具有丰富的I/O资源，可以对更多的数字量进行监控，同时可以进行模拟量测量，可以对更多的单元内部量进行监控；　　（5）采用智能化单元，可以实现更多的功能，例如单元的投切功能，输出波形的优化功能，调整载波频率等；　　（6）采用智能化单元，方便产品功能的扩充和提升。4　智能化单元实现的功能　　智能化单元由于具有单元自身的CPU，可以方便地实现各种功能。　　（1）从测量方面来讲，可以实现单元直流侧电压、输出电压、输出电流、功率元件温度等模拟量的测量，可以监测硬件的过压、过流等数字量的输入；　　（2）从保护方面讲，可以根据模拟量测量的数据方便地实现软件过压、过流、过温等保护逻辑，同时可以根据数字量的输入状态读入硬件保护的状态；　　（3）从控制功能方面讲，单元可以根据需要自己产生SPWM输出波形，完成对波形的细化、优化，根据调频指令自动调整输出电压、输出频率；正因为单元自身可以进行逆变控制，因此可以实现较高的载波频率，有效降低装置的输出电流谐波；采用智能化单元可以实现单元输出电压的任意控制，即各个单元的输出电压根据需要可以一致，也可以不一致，方便实现整个装置三相输出的自动平衡。　　（4）采用智能化单元可以实现单元的快速旁路，即单元的快速退出；这个退出可以是主动退出也可以是被动退出，主动退出是指在调试过程中通过指令主动退出个别单元来验证单元的退出功能、装置的输出自动平衡功能、装置的抗扰动功能等功能；被动退出是指装置出现故障时的退出；单元的快速退出可以减小对装置的扰动，提高装置的可靠性。　　（5）采用智能化单元可以实现单元在退出状态下的主动投入，即退出运行的单元在其它单元正常运行的情况下可以加入运行序列中。配合单元的结构设计，如单元外壳的绝缘设计、输入输出的插拔结构设计等，可以实现功率单元的在线维护，即出现故障的功率单元可以在装置不停机的状态下进行在线更换，极大地提高了装置的连续运行能力，对可靠性要求高的应用场合具有很强的适用性。　　（6）从通讯方面讲，智能化单元可以方便地实现串行通讯，可以进行通讯校验，减少通讯错误；由于通讯数据不参与实时控制，因此数据的实时性要求较低，数据的传输量可以比较大，较完善地实现了单元和外界的接口功能。　　　　（7）采用智能化单元，可以具备更多的测量数据、更加实时的控制方式，因此可以进行更加完善的状态监测，而且可以实现更加准确、完善的故障定位。5　集中控制型和智能单元型高压变频装置的比较　　集中控制型高压变频调速装置和智能单元型高压变频调速装置均为单元串联多电平方式的高压变频装置，两者的主回路相同，均为带有输入变压器的直接高-高方式的电压源型高压变频装置，由于二者控制部分实现的途径不同，因此具有各自不同的特点，以下是二者的比较。　　（1）控制结构：集中控制型为单处理器控制，即主控制器处理器；智能单元型为多处理器控制，每个功率单元至少有一个处理器，主控制器至少一个处理器，对于6kV系统，如果每相5个单元串联，则至少有16个处理器同时协调工作。　　（2）硬件结构：集中控制型的单元功能较少，硬件结构相对比较简单；智能单元自身具有CPU的控制部分，同时可以实现的功能较多，因此硬件结构相对比较复杂。　　（3）通讯速率要求：集中控制型的装置主控制器参与实时控制，因此主控制器和单元之间的通讯速率要求很快，否则无法满足实时控制的要求；智能单元型的装置因主控制器不直接进行实时控制，因此对通讯速率的要求较低。　　（4）容错性：对于集中控制型的装置，通讯的数据是用来进行直接实时控制的，不允许通讯数据出错，否则将带来不可预知的结果，因此其通讯数据的容错性较差，比较容易出现因光线通讯出错而造成单元退出甚至装置退出运行；对于智能单元型的装置，通讯的数据是指令和单元状态量，均不直接参与实时控制，同时通讯的双方（智能单元和主控制器）可以进行数据校验，对错误的指令和状态可以进行判断，因此具有很强的容错性。　　由于智能单元型装置的通讯速率较低，能够进行通讯校验和纠错，容错性很强，因此其主控制器和单元之间的通讯可靠性很高，这是保证装置正常工作的重要环节。　　（5）单元的载波频率：集中控制型的装置受到通讯速率的限制，单元的载波频率较低，一般为600Hz～1000Hz；智能单元从综合开关损耗和谐波等考虑，其载波频率较高，通常为2000Hz左右。载波频率的高低是影响输出电流谐波的重要因素，载波频率高，输出电流谐波较小。　　（6）在线维护：对于集中控制型的装置来说，在装置运行状态下，个别功率单元退出运行后，无法将退出的单元重新投入运行，即使结构上采取措施，也无法用备用单元进行装置的在线维护；智能化单元可以在装置运行的状态下进行单元的主动退出、投入操作，因此配合结构上的措施，可以进行单元的在线更换操作，实现装置的在线维护。装置的在线维护可以极大地提高装置的可靠性。　　（7）功能的扩展：集中控制型装置的控制全部由主控制器完成，所有单元均需进行实时控制，进行功能扩展时对整个控制结构的影响较大，功能扩展比较困难；对智能单元型的装置来说，只能单元进行直接实时控制，主控制器进行逻辑功能控制，其相互之间的耦合很少，相互影响很小，因此可以各自独立进行功能扩展，独立进行扩展功能的调试、验证，功能扩展比较容易。6　结束语　　采用智能化单元的高压变频调速装置是一种技术先进的高压变频调速装置，智能化单元的设计实现，完成了对单元的全面监控，从根本上解决了通讯可靠性的问题，增强了单元控制的实时性；智能化单元实现了单元的在线更换，完善了单元故障的自定位功能，方便了装置的维护，提高了整体装置的可靠性和可维护性。采用智能化单元的高压变频装置凭借其技术先进、性能可靠、维护方便等特点将得到全面推广应用，可为我国节能降耗工作做出重要贡献。