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摘要：进行高压电动机的变频调速改造，可降低能耗。但是，由于高压电动机一般容量较大，使用场合重要，因此对变频器的可靠性要求较高。文章分析了高压变频的可靠性要求，重点阐述了单元串联多电平方式的高压变频器的可靠性控制方式，以及达到高可靠性所采取的技术措施。
关键词：可靠性；高压变频；电动机；单元串联；多电平
变频调速是通过改变电动机供电电源的频率来改变交流电动机转速的一种调速方式，因其调速范围大、调速平滑性高、性能优异而得到广泛应用。进行高压电动机的变频调速改造，可以降低系统能耗，优化系统的整体性能，为企业赢得可观的经济效益。同时可以节约资源，减少环境污染，优化工作环境等，具有很好的社会效益。
一、高压变频的可靠性要求
对高压变频的可靠性，除了要求高压变频自身的质量可靠以外，还需要其具备应对电网异常工况、对电动机的正常运行无附加影响、应对局部故障的能力及应用维护方便等性能。
（1）应对电网电压的异常波动
采用高压变频后，因为高压变频器的过流能力较小，这就要求高压变频具备应对这种电网电压异常波动的能力，具体来说就是输入电源的允许波动范围要大，一般要求最低电压可达80%的额定电压，甚至70%的额定电压；对母线快速切换的情况，要求高压变频能够在电动机旋转的情况下快速恢复输出，尽量减小电动机转速降低对系统的扰动。
（2）高压变频装置谐波对电动机的影响
普通异步高压电动机都是按照工频电源的工况进行设计，正常工频电源的谐波很小，dv/dt的值也很小。为了适应普通电动机的运行工况要求，要求高压变频器采取措施使输出的电压电流谐波小、dv/dt小，减小电动机因谐波造成的发热及绝缘影响。
（3）高压变频器本身的可靠性问题
高压变频产品的整体系统复杂，应用场合重要，因此对产品的可靠性要求也高，同时要求产品自身具备应对局部故障的能力，以保障产品出现局部偶然故障时不至于突然跳机，扩大故障影响范围。如果能够实现故障单元的在线维护或更换，即高压变频产品在不停止运行的情况下排除故障，产品的可靠性将大大提高。单元串联多电平方式的高压变频器主要由3部分组成，主回路的输入端是一个移相整流变压器，它给每个逆变单元提供一个独立的电源。每个逆变单元均是一个三相交流输入、单相交流输出的低压变频器，数个逆变单元的交流输出依次串联，形成单相的高压输出，由3组这样的逆变单元组形成了三相高压逆变电源。这3组单元的其中一端短接形成三相电源Y型接法的中性点，另一端形成了高压电源的输出端；所有的单元由一个主控制器协调工作，同时实现变频器和外部设备的接口。单元串联多电平方式高压变频器的电路示意图如图1所示。.png)
二、单元串联多电平方式高压变频器的控制方式
单元串联多电平方式高压变频器的控制方式主要有两种：单处理器方式和多处理器方式。单处理器方式是指整个变频器的运行全部靠一个主控制处理器来实现；多处理器方式是指变频器的每个单元和主控制器均有自己独立的处理器，单元之间完全独立，主控制器通过通信协调所有单元协调工作。单处理器方式下，主控制处理器产生所有单元的脉冲，经过光纤通信传输至各个单元，每个单元自己进行脉冲分配，控制各个功率元件（一般是IGBT）；主控制器和单元之间要求通信速度快，可靠性要求高。多处理器方式下，各个单元自己完成自身的脉冲产生及分配，控制本单元的功率元件；通过光纤传输接受主控制器的指令，进行相应的动作；同时检测本单元的状态进行判断，实现各种保护直至单元退出，并将单元状态通过光纤传送至主控制器，以便主控制器进行所有单元的协调工作。单处理器方式和多处理器方式各具特点，现就以下几个方面进行一下比较。
（1）系统结构
单处理器方式系统中单元硬件结构简单，主控制器硬件较复杂，软件功能复杂、任务繁重；多处理器方式系统中单元控制部分硬件结构复杂，有大量的软件工作，主控制器软硬件均比较简单，功能清晰、任务较轻。
（2）单元故障处理
单处理器方式下，单元故障的处理需经通信传输至主控制器判断处理，然后再传输回单元进行动作，环节较多、延迟较大；多处理器方式中，单元故障的检测、判断、处理均由单元处理器独立完成，环节少、延迟小、动作迅速。
（3）系统功能扩展
单处理器方式下系统功能扩展主要是由主控制器完成的，但主控制器软件结构复杂，占用资源多，功能扩展时工作量大，扩展困难；多处理器方式下系统功能扩展主要靠单元来实现，主控制器主要完成指令的添加及控制逻辑的优化，各种任务容易实现功能块分割，利于分工合作。
（4）容错性
单处理器方式中，单元不具备判断能力，主控制器的工作必须完全正确，另外对单元和主控制器之间的通信可靠性要求高，容错能力差；多处理器方式中，单元能够判断主控制器的指令是否正确，对错误指令可以拒绝执行，单元和主控制器之间的通信可以进行校验，具备容错能力。现在，这两种控制方式的高压变频器国内都有厂家推出产品。
三、进一步加强高压变频可靠性的有效措施
（1）控制电源冗余设计
控制电源的冗余设计保证了在外部控制电源失电的情况下，设备能够不受影响连续运行，一般采取的措施为加装不间断电源（UPS）或蓄电池。UPS的输出为交流电源，和正常的控制电源之间有个切换过程，需采取措施实现无扰切换；蓄电池的输出为直流电，和控制用的内部直流电源可以直接并联使用，不存在切换过程，是一种可靠的后备电源措施。
（2）冷却系统冗余设计
高压变频装置虽然效率很高，但因其容量大，运行过程中产生的绝对热量还是很大的，因此可靠的冷却系统就显得尤为重要。具有互为备用并且能够自动切换的冷却系统是可行、可靠的措施。
（3）功率单元冗余设计
一般来说，只有单元串联多电平方式的高压变频装置能够实现功率单元的冗余设计。对于单元串联多电平方式的高压变频装置来说，功率单元的冗余是在故障单元旁路退出的情况下，通过电压电流的平衡技术实现输出电压电流的平衡的。为了充分利用系统的冗余性，任何一个功率单元退出运行，不应该影响其他单元的正常运行。
（4）功率单元的抗干扰措施
功率单元除了应该采取必要的抗干扰措施防止单元因干扰而出现误动作外，还可以采取措施使因瞬时干扰而退出的单元自动投入运行，保证整套装置完好运行。
（5）功率单元的在线维护
在线维护是指在变频装置带电运行的情况下对装置的局部故障进行处理。设备的在线维修维护是提高装置运行可靠性的重要手段，对于单元串联多电平方式的高压变频来说，功率单元的在线更换可以极大地提高装置的可靠性。
（6）提高系统对电网波动的适应性
高压变频装置对电网波动的适应，除了需要采取措施使装置能够承受更大的电压波动范围外，还需要考虑电网瞬时失电时变频装置应能够连续运行，即高压失电后变频装置停止输出，电动机转速下降，高压重新上电后变频装置需在电动机当前转速下迅速将电动机驱动至失电前的转速，最大限度地减小对系统的扰动。
四、结语
单元串联多电平方式的高压变频产品历经十多年的发展，实现手段更加完善，功能更加齐全，对电网波动的适应能力更强，可靠性更高。单元串联多电平方式的高压变频器的国内生产厂家已经很多，产品在市场上的应用也很多，技术已经比较成熟，使用后节能效果非常明显，已经可以进行大规模推广使用。
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论文作者:马剑青
论文发表刊物:《基层建设》2016年13期
论文发表时间:2016/9/28
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