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水簾降溫生產(chǎn)廠家_風機變流器中IGBT驅動窄脈沖的影響與限制 風機

摘要：在大功率風機變流器中，絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的工作可靠性對整個風電機組的安全運行有著直接影響。分析了驅動窄脈沖對風機變流器IGBT可靠運行的危害，并從理論上闡述了空間矢量調(diào)制(SVM)中窄脈沖出現(xiàn)的原理及限制方法。同時基于28335型DSP不對稱死區(qū)設置的特點，指出不對稱死區(qū)設置將進一步減少觸發(fā)窄脈沖的寬度而卻使得關斷窄脈沖最少維持了2個死區(qū)時間。但關斷窄脈沖對IGBT單元體反并聯(lián)二極管的危害卻依然值得關注。最后給出了相關測試波形，對窄脈沖問題的分析和抑制具有參考意義。
關鍵詞：變流器；風機；絕緣柵雙極型晶體管；窄脈沖

1 引言
    隨著環(huán)境和能源問題的不斷加劇，風力發(fā)電作為一種應用前景廣闊、經(jīng)濟性較突出的綠色可再生能源而備受關注。而帶有大功率變流器設備的變速恒頻風電機組能有效利用風能，受到廣泛關注。
    風電機組工作環(huán)境惡劣，卻又要求安全性和可靠性高，這就對含有大功率電力電子器件的風機變流器提出更高要求。這里結合IGBT驅動窄脈沖對風機變流器的影響，分析SVM中窄脈沖產(chǎn)生原理及死區(qū)設置對窄脈沖的影響，探討窄脈沖的避免與抑制，進一步提高風機變流器運行的可靠性。

2 窄脈沖的危害
    圖1示出三相電壓型整流器(VSR)原理圖。IGBT模塊窄脈沖現(xiàn)象分如下兩種情況：①IGBT單元出現(xiàn)觸發(fā)窄脈沖；②IGBT單元出現(xiàn)關斷窄脈沖，即體二極管出現(xiàn)窄脈沖。這兩種均為半導體器件在未完全開通時又立即關斷的行為，都可能導致較大的浪涌電壓尖峰和振蕩，使得大功率IGBT模塊的可靠運行受到嚴重威脅，甚至損壞。特別對于體反并聯(lián)二極管單元，若IGBT出現(xiàn)關斷窄脈沖，則同橋臂另一只IGBT反并聯(lián)二極管就有可能出現(xiàn)未完全開通又立即關斷的行為，進而產(chǎn)生比IGBT窄脈沖觸發(fā)更嚴重的關斷電壓尖峰或振蕩。產(chǎn)生上述過高浪涌電壓或振蕩的原因為：半導體器件在導通后極短時間內(nèi)進入反向恢復階段，在還未積累充分數(shù)量載流子的狀態(tài)下外加電壓，過渡層迅速擴大，使其產(chǎn)生強烈的di／dt，du／dt。故為實現(xiàn)IGBT的可靠應用，一般應限制最小觸發(fā)和關斷脈寬。


    產(chǎn)生窄脈沖有些是由于硬件系統(tǒng)外部干擾或光纖驅動輸入光信號異常導致，而有些則是由于控制系統(tǒng)或電氣參數(shù)設計不當導致。前者需提高硬件系統(tǒng)的電磁兼容性或采取硬件限制措施，后者則可通過相應的理論分析與軟件設計加以避免。

3 SVM中窄脈寬的產(chǎn)生
    為提高電壓利用率，大功率風電機組變流器均采用SVM控制。三相逆變器開關管共有8個開關狀態(tài)，這8個開關狀態(tài)構成了8個基本電壓空間矢量，如圖2所示，其中6個為有效矢量，幅值2Udc／3，相位依次相差60°；兩個為零矢量，幅值為零。


    一個開關周期內(nèi)，基本電壓矢量按分時方式發(fā)生作用，在時間上構成一個空間矢量序列，以合成目標矢量。目前風機變流器均采用基于DSP的對稱原則，諧波含量較小的7段式SVM合成方式被廣泛采用，其矢量圖和驅動波形圖如圖3所示。可見，7段式波形合成特點為：①在調(diào)制度接近零時，各IGBT驅動波形占空比接近50％，大功率變流器中，開關周期較長，不會出現(xiàn)窄脈沖；②當目標矢量位于兩個基本矢量中間位置時，零矢量作用時間最短；③在接近滿調(diào)制時，零矢量作用時間內(nèi)，必將有一組橋臂出現(xiàn)窄脈沖，寬度為0．5倍的零矢量作用時間；④極端時，即滿調(diào)制(目標矢量位于兩個基本電壓矢量中間)時，無零矢量作用時間。

 

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一．現(xiàn)行工況

    我公司混合料工序所用的混合劑是工業(yè)用酒精，由于酒精屬于易燃易爆物，同時它又具有揮發(fā)性，所以該工序是我公司的安全重點保護區(qū)。我公司已采取了一些防范措施，如共投入使用十臺抽風風機，因針對的是易燃易爆氣體，因此要求可靠性極高。若其中一臺風機故障跳閘或者是停轉，將會導致氣體排放不暢；必然引起危險氣體的濃度接近或超過燃點（爆點），這很可能會造成嚴重的事故。

二．系統(tǒng)要求
   
    現(xiàn)場十臺風機的出口均配備有電節(jié)點壓力表，其中五臺風機采用檢測風機的風量來判斷出風機的故障點。只要系統(tǒng)的電機或風機出現(xiàn)各種故障，系統(tǒng)將立即自動發(fā)出聲、光報警，提醒操作人員進行維修和處理。

   
 

三．系統(tǒng)運行原理

     風機的出口處安裝有電節(jié)點壓力表，因此只要設定好相應的上下限壓力值，即可直接將風機的運行情況（通過風壓反映）送到PLC中進行檢測。

    若沒有電節(jié)點壓力表，或者使用風量傳感器的方式，則可以使系統(tǒng)的風量檢測更為直接準確。無論風機，或者是風機的電機出現(xiàn)任何故障時，系統(tǒng)均可以直接從風量上檢測到故障，同時系統(tǒng)將相應的給出報警信號，因為是采用最直接的檢測方式，所以可靠性大大增加了。

四．系統(tǒng)特點

    該系統(tǒng)中采用了PLC和人機界面，對故障的處理非常完善、可靠。

1、 信號采集準確可靠

    系統(tǒng)將直接根據(jù)排風管的風量大小（通過風量傳感器）和風壓大�。姽�(jié)點壓力表）判斷系統(tǒng)的運行情況。當風機的電機出現(xiàn)故障（睹轉或者是空載）時，系統(tǒng)的風量會發(fā)生很大的變化，同時若系統(tǒng)的風機反轉時系統(tǒng)同樣可以發(fā)出故障報警信號。

    因為采用了風量和風壓雙測量的方式，因此若風量或者是風壓檢測回路中的一個出現(xiàn)故障時系統(tǒng)均可以正常運行，而故障回路可以在人機界面上進行屏蔽。

    故障檢測點檢測到風量信號后，在PLC中進行檢測和對比。在人機界面上各種對比信號均可以進行設定，系統(tǒng)靈敏度的調(diào)整更加方便快捷。

    2、 故障處理智能化

    系統(tǒng)采用PLC作為控制元件，系統(tǒng)的故障處理可以充分做到智能化控制。即若系統(tǒng)有備用風機時，系統(tǒng)可以直接將備用電機啟動，保證系統(tǒng)運行的安全性。而故障風機退出運行過程的同時，在人機界面上以及柜體上均采用聲光報警的信號進行報警通知相關人員進行維修處理,彩鋼瓦屋頂通風降溫。

    3、 高可靠性

    該系統(tǒng)的可靠性主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
首先，系統(tǒng)采用性能穩(wěn)定的PLC作為控制器件，PLC內(nèi)部含有硬件看門狗電路，當系統(tǒng)出現(xiàn)當機（即死機）情況時，系統(tǒng)的硬件看門狗電路，與軟件沒有關系，可以自動將系統(tǒng)復位后繼續(xù)運行。
再次，系統(tǒng)采用風量和風壓雙重檢測的方式，系統(tǒng)可靠性得到了很大的提高。

4、 系統(tǒng)顯示直觀
 
    系統(tǒng)采用人機界面顯示風機和電機的運行狀態(tài)，而且人機界面上可以以曲線的圖形方式，顯示和給定風量的保護點，直觀明了。

5、 報警功能完善
 
    系統(tǒng)報警的形式較多，報警功能完善。

    系統(tǒng)的報警功能，不但可以以聲光的方式遠傳到值班室，而且可以通過MODEM以撥號的方式直接將風機運行情況，故障情況發(fā)送到固定的BB機上，實現(xiàn)無人職守的控制狀態(tài)。

 六．系統(tǒng)配置
 
    該系統(tǒng)采用S7-200系列PLC，6.4寸黑白屏

    配件名稱  配件型號         數(shù)  量     備   注

    PLC主機 西門子S7-200；216CPU 1 兩個串口，無Mordem功能可采用214CPU

PLC數(shù)字量模塊 繼電器輸出 3 2個8入8出、1個8入

    PLC模擬量模塊 4模擬量輸入 2 0~5V,屋頂通風排熱風機；0~5V

    安全隔離柵 WOS1 3.5-15VDC 5

    人機界面  PWS-1711STN 1 6寸單色屏

    風量傳感器  風量風速傳感器 5 風量輸入4~20mA變送輸出

    UPS電源 UH11-1KVA 純在線式,屋頂排風機，延時半小時

    低壓電器 指示燈、按鈕、中間繼電器等 上海二工、正泰

 


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