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技術頻道

串聯H橋多電平高壓變頻器故障處理新方法

1 引言

  礦井提升機是煤礦生產的關鍵設備,肩負著井上、井下聯絡的重任,提升機控制系統工作的安全可靠性,直接影響到企業的經濟效益[1]。串聯h橋的多電平高壓變頻提升機傳動系統,雖然不像重要場合的風機、水泵負載那樣要求系統能夠連續運轉,當變頻器功率單元出現故障時可以立即停止提升機運行,進行單元更換、檢修處理,待故障排除后繼續進行生產,但是當提升機高速運行時,若變頻器某一相的一個或幾個,甚至多相的多個h橋功率單元同時發生故障時,要求提升機傳動系統必須能夠繼續驅動電動機,以提供足夠的制動力矩將提升機制動。因此,提升機傳動系統在變頻器故障狀態下能否繼續運行,是值得研究的問題。

  目前,國內對串聯h橋型變頻器故障單元的處理主要有旁路技術、熱插拔技術等,這些只是用于對故障單元硬件方面的處理,在控制方式上并沒有得到改善。同時存在變頻器的輸出電壓不對稱、對操作人員人身安全有一定的危險以及備用h橋單元的投入需要一定的時間。本文主要針對6kv九電平電壓空間矢量控制變頻器,分析當單元故障時,如何對電壓矢量開關狀態重新選擇,保證串聯h橋功率單元故障時,提升機能夠提供最大的制動力矩。在matlab/simulink環境下對提升機傳動系統進行了故障運行仿真分析。

2 故障運行時逆變器的控制方法

  為了使提升機在串聯h橋功率單元故障時提供最大制動力矩,并使傳動系統輸出的電壓軌跡接近圓形,需要確定最小的kdx,令此最小值為kdmin,將kdmin所對應的正六邊形,作為變頻器最大電壓矢量幅值的參考。

  為了使傳動系統輸出達到式(2)確定的最大幅值,對開關狀態進行調整,調整之后,傳動系統輸出的三相相電壓的相位、幅值都很可能會不對稱,但輸出的線電壓是對稱的,電動機仍然可以對稱運行。

  在傳統的故障單元旁路方式中,為保證線電壓對稱,必須保證相電壓是對稱的,所以必須將某些正常串聯h橋功率單元一同旁路,限制了傳動系統的帶載能力。與傳統的故障單元旁路方式相比,應用svpwm控制技術的開關狀態調整方式,在同樣的故障狀態下,能夠輸出幅值更大的正弦電壓,能夠為提升機制動提供更大的力矩。

  2.1 參考電壓矢量限幅

  當串聯h橋功率單元出現故障時,如果參考電壓矢量vr*的幅值大于vmax,那么vr*就無法通過變頻器輸出實現,此時必須對vr*進行限幅。一種簡單可行的方法,就是將vmax作為參考電壓矢量的幅值,將矢量vr*的角度作為參考電壓矢量的角度。設參考電壓矢量vr*在m-n坐標系中的坐標為(vrm*,vm*),如圖1所示。根據余弦定理可以計算,參考電壓矢量vr*的幅值vr*為:

  因此,為了使參考電壓矢量為圓形,將其限制在圖1用虛線表示的正六邊形內切圓上,只需將vr*按比例λ縮短,其中。

  圖2中(a)所示為c相串聯h橋功率單元全部發生故障時,參考電壓及限幅前后傳動系統輸出的電壓矢量分布圖。

2.2 開關狀態的調整

  采用電壓空間矢量調制時,根據參考電壓矢量確定電壓矢量及開關狀態[3]。當串聯h橋功率單元發生故障后,某些電壓矢量已無法通過所選的開關狀態來實現,必須對這些開關狀態進行調整,調整的原則是使零序電壓盡可能保持最小。

  例如開關狀態(2,1,-3),在c相兩個串聯h橋功率單元故障的情況下就無法得到,為了使零序電壓最小,所以調整開關狀態為(3,2,-2),零序電壓由0變為3。通過此種調整,歸根到底就是通過增加a、b兩相的電壓來補償c相無法提供的那部分電壓。

  為了增強開關狀態(va,vb,vc)調整的自適應能力,在本文的仿真系統中采用實時計算的方式來實現,調整計算的流程圖如圖3所示。圖2中(b)為c相串聯h橋功率單元全部發生故障時開關狀態調整前后的仿真波形。

  2.3 故障運行時的觸發脈沖循環控制

  串聯h橋功率單元發生故障后,觸發脈沖的循環必須忽略該故障單元,循環只在正常的串聯h橋功率單元之間進行。

  在仿真模型中,采用脈沖選擇連接器循環選擇的方式來實現,a、b、c三相的串聯h橋功率單元故障矩陣分別用fa、fb、fc表示,fa、fb、fc均為4×1矩陣,每個矩陣的四個元素對應各相中串聯的四個h橋功率單元故障狀態,“1”表示單元正常,“0”表示單元故障。例如,a1、a3故障,則fa=[0,1,0,1]t;若b4故障,則fb=[1,1,1,0]t。

  由于三相觸發脈沖控制方式相同,在此以a相為例進行說明。為方便表述,將fa記為fa=[fa1, fa2, fa3,

  fa4]t,因此,ea的計算可以描述為:

  ea=fa1+fa2+fa3+fa4 (4)

  用f1、f2、f3、f4分別表示四個功率單元的脈沖循環序列初值,與fa各元素的關系為:

  初值確定后,還要將觸發脈沖循環控制序列進行修正,觸發脈沖循環序列由串聯h橋功率單元全部正常時的0-1-2-3-0-1-2-3-……,修正為故障狀態循環序列0-1-……-(ea-1)-0-1-……-(ea-1)-……。加上初值后,故障狀態時的觸發脈沖循環控制序列瞬時值f1′、f2′、f3′、f4′取值范圍為:

  因此可以判斷,如果f1′、f2′、f3′、f4′取值大于或者等于p,則說明其對應的功率單元發生故障,將觸發脈沖選擇至無效端口,用于封鎖脈沖輸出(仿真模型中設定此時逆變器電壓輸出為零);如果取值小于p,將f1′、f2′、f3′、f4′分別對ea取余,計算的結果用于連接器選擇。圖4所示為a1故障時的觸發脈沖循環控制序列及各功率單元連接器選擇仿真圖形。

3 仿真分析

  基于simulink對串聯h橋九電平提升機變頻傳動系統進行了仿真,該系統的電動機采用轉子磁鏈定向的矢量控制,變頻系統中每個h橋逆變單元采用仿真系統中直流電壓單獨供電。系統容量的參數選擇留有一定裕量,當只有一個功率單元故障是,系統運行不會受到任何影響,所有的串聯h橋單元故障都集中發生在某一相時,負載不平衡最為嚴重,因此,僅對a相四個功率單元發生故障情況作了仿真。

  仿真參數設置:仿真系統的電機參數根據yr118/44-10型提升電動機的技術參數進行選取,逆變系統igbt功率模塊額定電壓2000v,額定電流400a。直流側電壓為vdc=1200v。

  圖5為a相的所有串聯h橋功率單元都發生故障時的波形。為了將提升機轉速給定和實際轉速曲線區分得更明顯,仿真設定的角加速度為-21rad/s2。從圖(c)所示的轉矩波形可以看出,由于變頻器輸出的最大電壓降低,提升電動機反向電動勢的影響時間比兩個串聯h橋功率單元故障時要長,待轉速降低之后,電磁轉矩仍然能控制提升電動機的轉速,使之與給定轉速吻合。圖(e)和(f)所示為變頻器網側三相電流以及輸入變壓器主繞組的環流,三相電流的不平衡程度加劇,變壓器原邊繞組環流的峰值增大。

 在實際應用中,某一時刻有更多的串聯h橋功率單元同時損壞的可能性很小。從上述的波形分析來看,當串聯h橋功率單元發生故障時,雖然變壓器繞組環流較大,但系統在較大環流下的工作時間很短,采用參考電壓限幅以及開關狀態調整的控制方式,可以保證提升電動機的安全制動和停機,滿足煤礦提升的控制要求。

4 結束語

  本章針對串聯h橋功率單元故障,分析了單元故障對電壓矢量的影響,為了保障傳動系統輸出三相線電壓對稱,并且確保傳動系統輸出的零序電壓最小,闡述了參考電壓矢量限幅、開關狀態調整及觸發脈沖循環控制的控制方式。在matlab/simulink搭建了單元故障狀態時的控制模型,通過仿真,實現了上述串聯h橋功率單元故障的控制方式,系統有較好故障運行能力。



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