高压大功率变频器旁路技术
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1. 旁 路 技 术 的 提 出 我国的变频技术发展到今天 现在的业内人员都知道 变频技术是一种先进
的应用技术 它不仅能满足用户使用工况的诸多要求 而且还能大量节约宝贵的 电能 这种新技术给我们带来了极大的使用便利和带来比较好的经济效益
但是 尽管这种技术给我们带来了相当多的便利和较好的经济效益 但是由 于器件技术和逆变技术还不十分成熟 在变频器的使用过程中还存在一些不尽人 意的地方 比如变频装置的可靠性 输入输出电能质量 功能的完善性等 其中 主要的不满意反映在变频装置的可靠性上
c. 由于采用冗余设计 即便是断开一层工作 系统仍将处于稳定工作状态 可 以使用户有选择性地进行停机检修
4. 3 单元旁路功能对系统的可靠性提高预测 在新型的变频器中引入冗余设计后 理论上变频器的可靠性将会大大提高 其数
量级可以按照下列原则预测
4.3.1 根据产品的特点和电气设备的特性 我们知道变频器发生故障概率比较高 的部件及元件为 a. 变频器功率单元 b. 系统供电电源部分 c. 各电气接触点 f. 散热差的地方 4.3.2 变频器可靠性设计考虑 a. 由于电子元件与集成电路具有相对于其它部分高得多的可靠性 因此设计时
3 数字电路在工作中的可靠性得到了充分的验证 4 真正需要在可靠性方面进行分析和注意的电路部件和元件为 a. 一次电源 交流 与二次电源 直流 b. 电力电子器件 SCR GTR IGBT DIODE c. 驱动电路板 d. 其它各类电子元件
2.3 冗余设计点的选取 由上面的统计结果 我们知道在高压大功率变频器这种大型的电力电子设备中 影响设备可靠性的因素虽然很多 但是 对可靠性影响最大的元器件主要是电力 电子器件和驱动电路板 容易出现故障的地方都集中在系统的单元上 因此提高 单元的可靠性就是我们研究的着重点 因此电路的冗余设计点的选取应该考虑选择那些故障概率最大的部位或器件 在 DFCVERT-MV 高压大功率变频器中 采用了先进的单元模块化设计技术 因此 冗余设计点最合理的选取就是功率单元部件 我们从设计的角度采取冗余技术提 高系统的工作可靠性
4
标准结构的单相变频器 其中包含了控制电路 保护电路 逆变电路 驱动电路 监测电路等 因此 根据电路的特点 我们可以通过使系统具有一定的冗余这种 设计思想使多单元结构的变频器提高其可靠性
4. 变频器 旁 路 技 术 原 理 4.1 旁路技术的基本要求 变频器旁路技术实际上是一种冗余设计技术 也就是用相对富裕的配置 在不太 多地提高制造成本的条件下达到较大幅度提高系统可靠性的目的 因此旁路技术的基本的要求应该包含以下几点 4.1.1 系统的各个单元具有相同的结构和相同的控制方案 4.1.2 系统在设计时具有一定的冗余度 保证在系统旁路工作时仍然具有较高的 工作能力 4.1.3 所有的单元由系统计算机统一指挥控制 4.1.4 所有单元具有一致的快速拆装性能 4.2 旁路技术原理
如 功率单元 Bn 出现故障 此时该单元的检测电路将通过通讯电路向 主控计算机发出该单元出现故障的信号 主控计算机接到故障信号后 对故障性 质进行判断 当认定属于故障时 主控计算机将按照下列工作流程图进行一系列 的判断和执行相应的功能并发出相应控制信号 见图 4
这些工作主要包括以下几点 a. 判断系统在出现旁路申请时系统是否已经处于单元旁路状态 如果已经处于 单元旁路状态 则系统停机 b. 如果系统没有处于单元旁路状态 则切断处于 Bn 单元或 Bn 单元层的 所有三个功率单元的 IGBT 的触发信号 保证该层的 IGBT 处于关断状态 保证 IGBT 的安全
三相移相变压器
功率单元 A1
功率单元 B1
功率单元 C1
功率单元 A2
功率单元 B2
功率单元 C2
功率单元 An
功率单元 Bn
功率单元 Cn
输入输出 组合开关
主控系统 80C196MC
图 3. 自动旁路技术原理图
5
显示操作面板
DFCVERT-MV 变频器采用的旁路设计技术是根据采用单元式结构技术特点而设 计的 旁路技术方案的原理图见图 3
当系统出现故障时 故障报警信号经由通讯电路传输给主控计算机 主控计 算机接到故障信号后,经过故障种类判断 对系统的各种信号协调后,在最适宜的 时刻将出现故障的那一层用快速电子开关进行旁路 使设备继续正常运行 保持 输出电压的平衡 整个过程是无扰动的 在完成故障单元旁通的同时 向用户发 出报警信号 并且自动对输出功率进行允许的调整 使用户可以及时处理系统的 负荷匹配状况 保证系统正常地带故障运行 直至用户主动停机进行维护
何为旁路 bypass 功能 旁路功能其实就是一种当设备出现故障后断开故 障点而使设备继续正常运行的功能 这项技术可以较大地提高设备 变频器 运 行可靠性
具体地说 旁路功能就是当变频器某一部分出现故障时,系统在检测到该部 分出现故障时主动执行运行方式的切换 以保证系统连续进行降额或不降额工作 的功能
现在无论是进口高压大功率变频器还是国产高压大功率变频器 其设计可靠 性指标(MTBF-平均无故障工作时间)一般均定为 20000h 这是一个相当高的技术 指标 为了实现这项指标 很多科学家和工程技术人员想了相当多的办法努力提 高变频器的设计性能和制造质量 以便达到将可靠性指标提高到设计值或者超过 设计值 根据使用统计结果显示 无论进口变频器还是国产变频器 采用传统设 计技术的变频器其实际的 MTBF 指标与设计值均存在一定的差距 如何满足设 计要求 大幅度提高变频器的 MTBF 指标是每个业内企业均在花费极大力气进 行技术攻关技术进步所要做的事情
DFCVERT-MV 型高压变频器
旁路技术研究
成都东方凯奇电气有限责任公司 2002 年 11 月 7 日
1
DFCVERT-MV 高压变频器
旁路技术研究
东方凯奇电气公司 秦强林 内容摘要 文章通过对采用的旁路技术进行分析并结合工程应用的实践 证明了采用旁路技 术后设备在可靠性方面得到较大提高 不失为目前提高高压大功率变频器可靠性 的一种好方法 主题词 高压 变频器 旁路技术 可靠性 Abstract This article analyses about inverter using bypass technique and combines engineering ensample let us believer inverters using bypass technology can enhance reliability greatly. Become good method enhances reliability of high voltage high power inverters at present Key words high voltage inverter bypass technique reliability
3
3. DFCVERT-MV 变 频 器 的 基本 结 构 3.1 电路拓扑结构(见图 2)
图 2. 高压大功率变频器电路拓扑 3.2 控制方案与冗余设计的实现的可能性 由图 2 我们知道 这种变频器采用了先进的单元结构技术方案 电路拓扑结构 为一次电压经过移相变压器输入后直接输出到各功率单元 功率单元为 3 N 个
根据可靠性工程理论 可以采用冗余设计技术提高复杂系统的可靠性 达到 满足设计要求的目的 正是基于目前的现状及产品严格的可靠性指标的要求 东 方凯奇公司采用冗余设计方法对变频器进行革命性的技术进步 成功研制出了第 三代变频器 使得新生产的第三代变频器的可靠性指标 MTBF 得到大幅度提高 2. 冗 余 设 计 点 的 选 取 2.1 构成框图 高压大功率变频器是一种技术相当复杂的产品 为了完成复杂的功能 一台变频 器必须采 用成千上万个各类电气 元件进行不同组合才能满足设备的技术要求 DFCVERT-MV 高压大功率变频器的构成框图见图 1
7
考虑的重点为 4.3.1 中提到的重要地点和重要元件组件 b. 现代高压大功率变频器的可靠性指标在业界形成了一个非标准的数量值 MBTF 20000 小时 这是一个非常高的可靠性指标 没有先进的设计技术和完善的工艺方法和检验方
法是难以达到这个数值的 现在技术上相对简单得多的通用变频器将这项指标定
2
人机界面 部件
主控系统 及其接口电路
控制开关及 低压器件
功率控制部件 功率变化部件
各类 外围部件
图 1 变频器构成框图
系统中的每一个元件都会成为制约可靠性的因素 特别是那些处于长期工作及工 作于大功率以及高电压状态下的器件更是制约系统提高可靠性的关键因素 为了 提高变频器的可靠性 我们应该仔细分析那些对系统可靠性起至关作用的部件或 器件
随着变频技术的快速发展 随着变频器使用的场合越来越重要 用户对变频 器的工作可靠性提出了越来越高的要求 为了满足用户的要求 东方凯奇公司的 变频技术在维持基本的技术路线的情况下 已经由第一代变频技术升级为高性能 的 具有多种保护功能的第三代变频技术 具有自动旁路功能
自动 BYPASS 功能是在目前电力电子器件额定电流电压 额定工作功率和 器件可靠性还处于有限水平的情况下切实提高变频系统工作可靠性的一项高级 冗余技术 这项技术的采用使得变频器的工作可靠性提高了将近 2 3 倍左右 使我国变频器用户也可以使用这种具有超值功能的设备
2.2 出现故障的情况 根据几年来我们对变频器运行情况的统计和分析 对变频器各部件和器件的可靠 性有了比较清晰的认识
1 主控计算机和其外围电路设计上有标准的规范可循 通过合适的制造技术 和工艺控制可以使其做到高可靠性
2 低压开关电器元件由于工作的时间非常少 只要选取质量可靠的产品 在 可靠性方面是没有问题的
设备具有了这项功能后 可以大大地提高其运行可靠性 满足高可靠性用户 的要求 以便于这类用户的系统设备或工艺不会因为变频器运行故障而受到影 响 可以在合适的时间对变频设备进行故障维修
图 3 中主控系统担负着与各功率单元及显示控制面板输入输出组合开关的 通讯联系及调整操作控制 前面已经阐述到 各个单元的 SPWM 波的形成均应 由主控系统的 80CX96MC 高性能单片机的 WFG waveform generator 发出 经 过一系列的运算 检测对比以及变换电路后这些控制脉冲就形成了控制整台变频 器工作状态的指令 只要功率单元能够正常执行这些指令 则变频器将会正常工 作 反之如有单元不能正常执行这些指令 则系统的工作就不正常了 各个部分 状态正常则系统正常工作 如果系统的某个部分出现异常 则主控系统可以对系 统的工作状态进行检测后决定系统是否旁路后继续工作
d. 采用单元旁路技术后变频器的 MTBF 提高的程度 前面我们已经提到 采用单元旁路技术后 变频器的可靠性会大为提高 变为未 加旁路功能前的 2 3 倍 其理论依据为
6
收到单元故障信号
ｙｅｓ
是否为通讯故障
ＮＯ
检测变频器故障前 是否已经处于旁路 运行状态
ＮＯ
ｙｅｓ
பைடு நூலகம்ＮＯ
询问Ｎ次
检测变频器旁 路级数是否超 过允许级数
ＮＯ
ｙｅｓ
切断故障单元或故障单元
旁路后输出 是否正常
ＮＯ 询问次数大于Ｎ次
ｙｅｓ
向控制面板报告旁路 信息及发出报警声
停机
图 4 单元旁路工作流程图
为 8000 10000 小时 可以想象 具有如此多元器件和组件的高压大功率变频 器要想做到如此高的可靠性指标将有什么困难
c. 按照可靠性的设计原则 我们分析高压大功率变频器的主要故障点为功率部 分和电气节点部分 其中功率单元部分又是系统可靠运行的重点 因此我们在设
计制造变频器时已经将它的 MTBF 值考虑得比较高 但是由于功率单元的工作 环境温升较高 器件的功耗较大 因此变频器出现故障的主要部位还是功率单元
c. 接通旁路单元的电子开关 进行旁路操作 d. 检测旁路后的工作状态是否正常 如果系统工作正常 则向控制面板发出旁 路成功信号 e. 如果旁路不成功 则继续执行旁路功能 f. 如果多次旁路不成功 系统将发出停机命令 系统停止工作 4.2.1 技术特点 a. 由于电子开关的动作速度非常快 整个过程将在毫秒量级时间内完成单元的 旁路操作 不会对系统造成任何明显得波动 b. 由于负反馈的作用 计算机将实时地做出调整 使输出电压保持在旁路前的 状态下 系统处于无扰动状态
的应用技术 它不仅能满足用户使用工况的诸多要求 而且还能大量节约宝贵的 电能 这种新技术给我们带来了极大的使用便利和带来比较好的经济效益
但是 尽管这种技术给我们带来了相当多的便利和较好的经济效益 但是由 于器件技术和逆变技术还不十分成熟 在变频器的使用过程中还存在一些不尽人 意的地方 比如变频装置的可靠性 输入输出电能质量 功能的完善性等 其中 主要的不满意反映在变频装置的可靠性上
c. 由于采用冗余设计 即便是断开一层工作 系统仍将处于稳定工作状态 可 以使用户有选择性地进行停机检修
4. 3 单元旁路功能对系统的可靠性提高预测 在新型的变频器中引入冗余设计后 理论上变频器的可靠性将会大大提高 其数
量级可以按照下列原则预测
4.3.1 根据产品的特点和电气设备的特性 我们知道变频器发生故障概率比较高 的部件及元件为 a. 变频器功率单元 b. 系统供电电源部分 c. 各电气接触点 f. 散热差的地方 4.3.2 变频器可靠性设计考虑 a. 由于电子元件与集成电路具有相对于其它部分高得多的可靠性 因此设计时
3 数字电路在工作中的可靠性得到了充分的验证 4 真正需要在可靠性方面进行分析和注意的电路部件和元件为 a. 一次电源 交流 与二次电源 直流 b. 电力电子器件 SCR GTR IGBT DIODE c. 驱动电路板 d. 其它各类电子元件
2.3 冗余设计点的选取 由上面的统计结果 我们知道在高压大功率变频器这种大型的电力电子设备中 影响设备可靠性的因素虽然很多 但是 对可靠性影响最大的元器件主要是电力 电子器件和驱动电路板 容易出现故障的地方都集中在系统的单元上 因此提高 单元的可靠性就是我们研究的着重点 因此电路的冗余设计点的选取应该考虑选择那些故障概率最大的部位或器件 在 DFCVERT-MV 高压大功率变频器中 采用了先进的单元模块化设计技术 因此 冗余设计点最合理的选取就是功率单元部件 我们从设计的角度采取冗余技术提 高系统的工作可靠性
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标准结构的单相变频器 其中包含了控制电路 保护电路 逆变电路 驱动电路 监测电路等 因此 根据电路的特点 我们可以通过使系统具有一定的冗余这种 设计思想使多单元结构的变频器提高其可靠性
4. 变频器 旁 路 技 术 原 理 4.1 旁路技术的基本要求 变频器旁路技术实际上是一种冗余设计技术 也就是用相对富裕的配置 在不太 多地提高制造成本的条件下达到较大幅度提高系统可靠性的目的 因此旁路技术的基本的要求应该包含以下几点 4.1.1 系统的各个单元具有相同的结构和相同的控制方案 4.1.2 系统在设计时具有一定的冗余度 保证在系统旁路工作时仍然具有较高的 工作能力 4.1.3 所有的单元由系统计算机统一指挥控制 4.1.4 所有单元具有一致的快速拆装性能 4.2 旁路技术原理
如 功率单元 Bn 出现故障 此时该单元的检测电路将通过通讯电路向 主控计算机发出该单元出现故障的信号 主控计算机接到故障信号后 对故障性 质进行判断 当认定属于故障时 主控计算机将按照下列工作流程图进行一系列 的判断和执行相应的功能并发出相应控制信号 见图 4
这些工作主要包括以下几点 a. 判断系统在出现旁路申请时系统是否已经处于单元旁路状态 如果已经处于 单元旁路状态 则系统停机 b. 如果系统没有处于单元旁路状态 则切断处于 Bn 单元或 Bn 单元层的 所有三个功率单元的 IGBT 的触发信号 保证该层的 IGBT 处于关断状态 保证 IGBT 的安全
三相移相变压器
功率单元 A1
功率单元 B1
功率单元 C1
功率单元 A2
功率单元 B2
功率单元 C2
功率单元 An
功率单元 Bn
功率单元 Cn
输入输出 组合开关
主控系统 80C196MC
图 3. 自动旁路技术原理图
5
显示操作面板
DFCVERT-MV 变频器采用的旁路设计技术是根据采用单元式结构技术特点而设 计的 旁路技术方案的原理图见图 3
当系统出现故障时 故障报警信号经由通讯电路传输给主控计算机 主控计 算机接到故障信号后,经过故障种类判断 对系统的各种信号协调后,在最适宜的 时刻将出现故障的那一层用快速电子开关进行旁路 使设备继续正常运行 保持 输出电压的平衡 整个过程是无扰动的 在完成故障单元旁通的同时 向用户发 出报警信号 并且自动对输出功率进行允许的调整 使用户可以及时处理系统的 负荷匹配状况 保证系统正常地带故障运行 直至用户主动停机进行维护
何为旁路 bypass 功能 旁路功能其实就是一种当设备出现故障后断开故 障点而使设备继续正常运行的功能 这项技术可以较大地提高设备 变频器 运 行可靠性
具体地说 旁路功能就是当变频器某一部分出现故障时,系统在检测到该部 分出现故障时主动执行运行方式的切换 以保证系统连续进行降额或不降额工作 的功能
现在无论是进口高压大功率变频器还是国产高压大功率变频器 其设计可靠 性指标(MTBF-平均无故障工作时间)一般均定为 20000h 这是一个相当高的技术 指标 为了实现这项指标 很多科学家和工程技术人员想了相当多的办法努力提 高变频器的设计性能和制造质量 以便达到将可靠性指标提高到设计值或者超过 设计值 根据使用统计结果显示 无论进口变频器还是国产变频器 采用传统设 计技术的变频器其实际的 MTBF 指标与设计值均存在一定的差距 如何满足设 计要求 大幅度提高变频器的 MTBF 指标是每个业内企业均在花费极大力气进 行技术攻关技术进步所要做的事情
DFCVERT-MV 型高压变频器
旁路技术研究
成都东方凯奇电气有限责任公司 2002 年 11 月 7 日
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DFCVERT-MV 高压变频器
旁路技术研究
东方凯奇电气公司 秦强林 内容摘要 文章通过对采用的旁路技术进行分析并结合工程应用的实践 证明了采用旁路技 术后设备在可靠性方面得到较大提高 不失为目前提高高压大功率变频器可靠性 的一种好方法 主题词 高压 变频器 旁路技术 可靠性 Abstract This article analyses about inverter using bypass technique and combines engineering ensample let us believer inverters using bypass technology can enhance reliability greatly. Become good method enhances reliability of high voltage high power inverters at present Key words high voltage inverter bypass technique reliability
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3. DFCVERT-MV 变 频 器 的 基本 结 构 3.1 电路拓扑结构(见图 2)
图 2. 高压大功率变频器电路拓扑 3.2 控制方案与冗余设计的实现的可能性 由图 2 我们知道 这种变频器采用了先进的单元结构技术方案 电路拓扑结构 为一次电压经过移相变压器输入后直接输出到各功率单元 功率单元为 3 N 个
根据可靠性工程理论 可以采用冗余设计技术提高复杂系统的可靠性 达到 满足设计要求的目的 正是基于目前的现状及产品严格的可靠性指标的要求 东 方凯奇公司采用冗余设计方法对变频器进行革命性的技术进步 成功研制出了第 三代变频器 使得新生产的第三代变频器的可靠性指标 MTBF 得到大幅度提高 2. 冗 余 设 计 点 的 选 取 2.1 构成框图 高压大功率变频器是一种技术相当复杂的产品 为了完成复杂的功能 一台变频 器必须采 用成千上万个各类电气 元件进行不同组合才能满足设备的技术要求 DFCVERT-MV 高压大功率变频器的构成框图见图 1
7
考虑的重点为 4.3.1 中提到的重要地点和重要元件组件 b. 现代高压大功率变频器的可靠性指标在业界形成了一个非标准的数量值 MBTF 20000 小时 这是一个非常高的可靠性指标 没有先进的设计技术和完善的工艺方法和检验方
法是难以达到这个数值的 现在技术上相对简单得多的通用变频器将这项指标定
2
人机界面 部件
主控系统 及其接口电路
控制开关及 低压器件
功率控制部件 功率变化部件
各类 外围部件
图 1 变频器构成框图
系统中的每一个元件都会成为制约可靠性的因素 特别是那些处于长期工作及工 作于大功率以及高电压状态下的器件更是制约系统提高可靠性的关键因素 为了 提高变频器的可靠性 我们应该仔细分析那些对系统可靠性起至关作用的部件或 器件
随着变频技术的快速发展 随着变频器使用的场合越来越重要 用户对变频 器的工作可靠性提出了越来越高的要求 为了满足用户的要求 东方凯奇公司的 变频技术在维持基本的技术路线的情况下 已经由第一代变频技术升级为高性能 的 具有多种保护功能的第三代变频技术 具有自动旁路功能
自动 BYPASS 功能是在目前电力电子器件额定电流电压 额定工作功率和 器件可靠性还处于有限水平的情况下切实提高变频系统工作可靠性的一项高级 冗余技术 这项技术的采用使得变频器的工作可靠性提高了将近 2 3 倍左右 使我国变频器用户也可以使用这种具有超值功能的设备
2.2 出现故障的情况 根据几年来我们对变频器运行情况的统计和分析 对变频器各部件和器件的可靠 性有了比较清晰的认识
1 主控计算机和其外围电路设计上有标准的规范可循 通过合适的制造技术 和工艺控制可以使其做到高可靠性
2 低压开关电器元件由于工作的时间非常少 只要选取质量可靠的产品 在 可靠性方面是没有问题的
设备具有了这项功能后 可以大大地提高其运行可靠性 满足高可靠性用户 的要求 以便于这类用户的系统设备或工艺不会因为变频器运行故障而受到影 响 可以在合适的时间对变频设备进行故障维修
图 3 中主控系统担负着与各功率单元及显示控制面板输入输出组合开关的 通讯联系及调整操作控制 前面已经阐述到 各个单元的 SPWM 波的形成均应 由主控系统的 80CX96MC 高性能单片机的 WFG waveform generator 发出 经 过一系列的运算 检测对比以及变换电路后这些控制脉冲就形成了控制整台变频 器工作状态的指令 只要功率单元能够正常执行这些指令 则变频器将会正常工 作 反之如有单元不能正常执行这些指令 则系统的工作就不正常了 各个部分 状态正常则系统正常工作 如果系统的某个部分出现异常 则主控系统可以对系 统的工作状态进行检测后决定系统是否旁路后继续工作
d. 采用单元旁路技术后变频器的 MTBF 提高的程度 前面我们已经提到 采用单元旁路技术后 变频器的可靠性会大为提高 变为未 加旁路功能前的 2 3 倍 其理论依据为
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收到单元故障信号
ｙｅｓ
是否为通讯故障
ＮＯ
检测变频器故障前 是否已经处于旁路 运行状态
ＮＯ
ｙｅｓ
பைடு நூலகம்ＮＯ
询问Ｎ次
检测变频器旁 路级数是否超 过允许级数
ＮＯ
ｙｅｓ
切断故障单元或故障单元
旁路后输出 是否正常
ＮＯ 询问次数大于Ｎ次
ｙｅｓ
向控制面板报告旁路 信息及发出报警声
停机
图 4 单元旁路工作流程图
为 8000 10000 小时 可以想象 具有如此多元器件和组件的高压大功率变频 器要想做到如此高的可靠性指标将有什么困难
c. 按照可靠性的设计原则 我们分析高压大功率变频器的主要故障点为功率部 分和电气节点部分 其中功率单元部分又是系统可靠运行的重点 因此我们在设
计制造变频器时已经将它的 MTBF 值考虑得比较高 但是由于功率单元的工作 环境温升较高 器件的功耗较大 因此变频器出现故障的主要部位还是功率单元
c. 接通旁路单元的电子开关 进行旁路操作 d. 检测旁路后的工作状态是否正常 如果系统工作正常 则向控制面板发出旁 路成功信号 e. 如果旁路不成功 则继续执行旁路功能 f. 如果多次旁路不成功 系统将发出停机命令 系统停止工作 4.2.1 技术特点 a. 由于电子开关的动作速度非常快 整个过程将在毫秒量级时间内完成单元的 旁路操作 不会对系统造成任何明显得波动 b. 由于负反馈的作用 计算机将实时地做出调整 使输出电压保持在旁路前的 状态下 系统处于无扰动状态