一种新型的高压变频分布式控制系统

    近年来，出于节约能源的迫切需要和产品质量不断提高的要求，大容量电动机的高压变频调速技术得到了广泛的应用，在国内，基本覆盖了电力、冶金、石油、化工、造纸等主要行业。因此国内变频调速系统的研究非常活跃，主要的问题是利用耐压有限的功率开关器件实现高压变频调速，解决的办法是把低压的开关器件以一定的拓扑结构连接，用低电压串联形成高电压。传统的控制系统采用集中式控制，系统安装调试比较复杂，功能相对局限且不易扩展，很难实现控制的智能化，而分布式控制系统结构简单，数据处理方式灵活，有很强的扩展性，其模块化的结构具有很强的容错性，因此是高压变频系统实现智能控制的发展趋势。
　　针对传统控制系统过于复杂的缺点，本文提出一种高压变频的分布式控制策略，系统采用“中央控制单元－总线－分布控制单元”的分布式控制。

图1 高压变频系统实现原理图

1 分布式控制的原理

　　设计的高压变频器要求产生的相电压的变化在0～4 320V范围之内，系统使用低压功率器件，采用电压串联叠加的方法实现高压[1]，其高压变频系统实现原理如图1所示。图中，24个分布的单元，每个单元均由相同的控制和驱动系统组成。控制单元采用PWM控制方式调节驱动单元的输出电压使之在0～540V之间变化。24个单元分成三相，每相由8个单元串联连接，产生的相电压的变化在0～4 320V范围。三组功率单元星形联相形成分布式控制的拓扑结构，以低压的功率器件实现高压输出。每组叠加出用于电机驱动的一相电压波形，相电压之间的相位差为120°。这样，线电压可以控制在0～7500V，以适应高压电机的控制要求。

图2 分布单元驱动原理

　　分布单元驱动电路如图2所示，由三相桥式整流电路和方波逆变器组成。两个方波逆变器的输出电压u_ao和u_bo是脉宽可调的方波，而两桥臂中点a和b之间的电压u_ab是u_ao和u_bo方波电压的叠加，即u_ab＝u_ao－u_bo。假定u_ao和u_bo之间的相位角之差为180°＋Φ，则调节Φ角即可调节输出电压的脉宽，因而使输出电压的基波分量和谐波分量的幅值也发生变化。这样，既改善了输出电压的波形，也达到了调节输出电压的目的。
    
    当φ从0°变化到180°时，基波电压的幅值从按余弦规律减小到0。