I. Einleitung Niederspannungs-Frequenzumrichter haben sich in der Geschäftswelt etabliert und sind auf dem Weg zu einer breiten Anwendung. Der Markt für Hochspannungs-Frequenzumrichter steht noch am Anfang, bietet aber vielversprechende Zukunftsaussichten. Früher war dieses Produkt vollständig von Importen abhängig, doch in den letzten Jahren ist die Marktnachfrage mit dem wachsenden Verständnis für Hochspannungs-Frequenzumrichter rasant gestiegen. Inländische Hersteller von Frequenzumrichtern holen schnell auf, und mehrere Marken sind entstanden. Unser Unternehmen gehörte zu den Pionieren in der Entwicklung von Hochspannungs-Frequenzumrichtern. Mehrere 6000-V-Hochspannungs-Frequenzumrichter sind bereits im regulären Betrieb und haben die Prüfungen des Tianjin Power Distribution and Control Equipment Testing Institute sowie des National Power Control and Distribution Equipment Quality Supervision and Inspection Center erfolgreich bestanden. Sie wurden außerdem von einem Gutachtergremium aus Akademikern und renommierten inländischen Experten geprüft, dessen Gutachten den fortschrittlichen Charakter und die Innovationskraft der Geräte hoch lobte. Ende 2002 erhielt unser Unternehmen einen Auftrag für einen 10.000-V-Frequenzumrichter, der im März 2003 geliefert und in Betrieb genommen wurde und seither einwandfrei funktioniert. Wir möchten unseren Lesern nun einige wichtige technische Probleme und Lösungen vorstellen, die sich während des Entwicklungsprozesses ergaben, und hoffen auf Anregungen von Experten, Anwendern und Branchenkollegen. Die wichtigsten technischen Spezifikationen, die der Kunde für die zweite Variante forderte, waren: 10.000 V, 355 kW, Nennstrom 25,5 A, Last: Wasserpumpe. Die Herstellung von Hochspannungs-Frequenzumrichtern hinkt dem gesellschaftlichen Bedarf deutlich hinterher – ein weltweit verbreitetes Problem. Der Engpass liegt in der unzureichenden Spannungsfestigkeit von Leistungshalbleitern, die die Entwicklung von Hochspannungs-Frequenzumrichtern maßgeblich einschränkt. Um diesem Problem zu begegnen, haben Wissenschaftler zahlreiche Lösungen vorgeschlagen, darunter Hoch-Niedrig-Hoch-Schaltungen, die direkte Reihenschaltung von Leistungshalbleitern, Drei-Level-Mehr-Level-Schaltungen und die Reihenschaltung von Leistungseinheiten. Der 6000-V-Frequenzumrichter unseres Unternehmens nutzt die Reihenschaltung von Leistungseinheiten und erzielt damit hervorragende Ergebnisse. Diese Schaltung wird auch für den 10000-V-Frequenzumrichter verwendet, da: a) sie eine hohe Anzahl an Ausgangspegeln aufweist, was zu einer besonders guten Ausgangswellenform führt, die sich ohne Leistungsreduzierung für gängige Asynchronmotoren eignet. b) sie zwar eine große Anzahl von IGBTs benötigt, die Anforderungen an die Spannungsfestigkeit jedoch gering sind und keine Probleme mit dem Spannungsausgleich der Leistungshalbleiter auftreten. c) sie eine hohe Impulszahl im Eingangsgleichrichterkreis aufweist, was zu geringeren Störungen im Stromnetz und einem hohen Leistungsfaktor führt. d) Die große Anzahl an Leistungseinheiten ist zwar ein wesentlicher Nachteil, die Strukturen sind jedoch vollständig identisch und austauschbar, was die Produktion, die Inbetriebnahme und die Ersatzteilversorgung erheblich vereinfacht. Die Technologie ist ausgereift, erfolgreiche Erfahrungen wurden gesammelt und die Zuverlässigkeit ist gewährleistet. Die Reihenschaltung der Leistungseinheit nach dem Drei-System-Prinzip ist in Abbildung 1 dargestellt, am Beispiel von 9 Einheiten pro Phase. Die Leistungseinheit arbeitet mit einem dreiphasigen 50-Hz-Eingang, der von Wechselstrom (AC) über Gleichstrom (DC) zurück zu Wechselstrom (AC) gewandelt wird, um einen einphasigen SPWM-Wechselrichter zu erzeugen. Mehrere Einheiten sind in Reihe geschaltet und bilden eine Y-Schaltung. Der dreiphasige Eingang der Einheit wird über den sekundärseitigen Multiplex-Trenntransformator versorgt (siehe Abbildung 2). (I) Schaltungsaufbau 1. Anzahl der Einheiten und Auswahl der Leistungshalbleiter Die Netzspannung beträgt 10.000 V und die Phasenspannung 5.773 V. Bei 9 in Reihe geschalteten Einheiten pro Phase beträgt die Ausgangsspannung jeder Einheit 641,5 V (Effektivwert). Da die vom Anwender geforderte Nennleistung gering ist, wurden schließlich Siemens-Doppel-IGBT-Module als Leistungshalbleiter ausgewählt. 2. Die Konstruktion des Eingangstrenntransformators ermöglicht eine einfache Wicklung. Es wird eine 18-Puls-Gleichrichtung verwendet, und die Oberschwingungen des Eingangsstroms erfüllen die Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit. Der Transformatoreingang ist in Sternschaltung ausgeführt. Das Anschlussdiagramm zwischen Eingangstransformator und Leistungseinheit ist in Abbildung 2 dargestellt. Diese Gleichrichterstruktur gewährleistet, dass die Oberschwingungskomponenten des Eingangsstroms den Anforderungen der Unternehmensnorm und IEEE 519 entsprechen. Selbstverständlich sind auch mehr Phasengruppen möglich, beispielsweise durch Verwendung einer 30- oder 36-Puls-Gleichrichterschaltung. Dies würde jedoch den Wickelprozess des Transformators erheblich erschweren. 3. Hauptschaltung der Leistungseinheit Die Hauptschaltung der Leistungseinheit ist eine typische Dreiphasen-Eingangs-Einphasen-Ausgangs-Schaltung, wie in Abbildung 3 dargestellt. (1) Da die Wechselstrom- und Hochfrequenzkomponenten am Elektrolytkondensator relativ hoch sind, wird ein induktionsfreier Kondensator (nicht in der Abbildung dargestellt) verwendet, der die Wechselstrom- und Hochfrequenzkomponenten reduziert und somit die Belastung des Elektrolytkondensators verringert und dessen Lebensdauer verlängert. (2) Der einphasige Ausgang verfügt über eine Thyristor-Bypass-Schaltung. Im Normalbetrieb leitet der Thyristor nicht. Bei einem Fehler leitet der Thyristor, die betroffene Einheit schaltet sich ab, und die übrigen Einheiten können weiterarbeiten. Dadurch wird ein Notabschalten der gesamten Maschine vermieden. Im Betrieb wird eine einarmige PWM-Modulation (T1, T2) verwendet, wobei die oberen und unteren Transistoren des anderen Arms (T3, T4) abwechselnd eingeschaltet werden. Die Wellenform ist in Abbildung 4, das Funktionsprinzip in Abbildung 2 und die Gesamtstruktur in Abbildung 5 dargestellt. (II) Steuerungssystem und Optimierung: Der 87C196MC wird häufig in Frequenzumrichtern eingesetzt. Auch in dieser Ausführung dient er als Hauptsteuereinheit, und jede Einheit ist mit einem 51-Mikrocontroller als Hilfssteuergerät ausgestattet. Da die Ressourcen des Mikrocontrollers begrenzt sind, ist bei der Auslegung auf sorgfältige Berechnung und Optimierung zu achten. 1. Stromversorgung des Steuerungssystems: Das Steuerungssystem verfügt über ein unabhängiges Stromversorgungssystem, dessen Aufbau in Abbildung 6 dargestellt ist: Die 220-V-Netzspannung wird gleichgerichtet, gefiltert und geregelt, um eine stabile Gleichspannung zu erzeugen. Anschließend wird mit einem Hochfrequenzoszillator ein Hochfrequenzsignal mit stabiler Amplitude erzeugt. Dieses wird dann über eine Reihe von Hochfrequenztransformatoren und die entsprechende Gleichrichtung und Filterung an die Steuer- und Treiberschaltungen der einzelnen Einheiten weitergeleitet. Die Vorteile der unabhängigen Stromversorgung des Steuerungssystems sind: 1) Die Stromversorgung jeder Einheit erfolgt über einen Hochfrequenztransformator, wodurch eine einfache Hochspannungstrennung realisiert wird. 2) Bei einem Fehler im Hauptstromkreis bleibt die Stromversorgung des Steuerungssystems intakt, wodurch eine Störung der IGBT-Schaltsequenz sichergestellt wird. 3) Im unbelasteten Zustand des Hauptstromkreises kann die gesamte Maschine instandgesetzt werden. In diesem Zustand sind die Signalverläufe an jedem Punkt identisch mit denen im belasteten Zustand, mit Ausnahme der geringeren Ausgangsspannungsamplitude. Dies ist sehr praktisch für die Fehlersuche, Wartung und Schulung von Bedienern. 3. Die Trägerphasenverschiebungstechnologie nutzt in Reihe geschaltete Leistungseinheiten zur Realisierung des Hochspannungs-Frequenzumrichters. Es gibt im Allgemeinen zwei Steuerungsmethoden: (1) Stapelwellenverfahren und (2) Trägerphasenverschiebungstechnologie. Das Stapelwellenverfahren ist einfach zu implementieren, liefert eine bessere Wellenformqualität, erfordert weniger Schaltvorgänge der Leistungshalbleiter und verursacht geringe Schaltverluste. Es hat jedoch zwei Nachteile: (1) Die Leistung der einzelnen Einheiten in Reihe ist ungleichmäßig. (2) Die Leistung der einzelnen Sekundärwicklungen des Transformators ist ungleichmäßig. Die Trägerphasenverschiebungstechnologie ermöglicht eine gute Ausgangswellenform und überwindet die beiden Nachteile des Stapelwellenverfahrens. Obwohl mehr Leistungshalbleiter geschaltet werden müssen als beim Stapelwellenverfahren, sind die Schaltverluste im Gesamtsystem nicht so gravierend. Daher haben wir uns für diese Steuerungsmethode entschieden. Die Frequenzen des Modulationssignals und des Trägersignals sowie die Phase des Modulationssignals sind festgelegt. Die Trägerphase von Einheit 1 dient als Referenz, und die Trägerphasen der Einheiten 2, 3, 8 und 9 werden sukzessive um 1/9 der Trägerperiode verzögert. Die Trägerfrequenz wird effektiv um das Neunfache erhöht, wobei jeweils nur eine Einheit schaltet. Selbst bei Reihenschaltung von neun Einheiten bleibt die Spannungsänderungsgeschwindigkeit (dv/dt) dieselbe wie bei einer einzelnen Einheit. Die Grundkomponenten des Gesamtausgangssignals überlagern sich, während sich die Oberwellenkomponenten jeder Einheit gegenseitig aufheben, was zu sehr geringen Oberwellen führt. Dies ist der größte Vorteil dieser Technologie. Darüber hinaus trägt bei diesem Steuerungsverfahren jede in Reihe geschaltete Einheit die gleiche Leistung, und jede Sekundärwicklung des Trenntransformators trägt die gleiche Leistung. Struktur und Steuerschaltung jeder Einheit sind ebenfalls identisch. 4. Stufenmodell der Sinuswelle: Die Trägerwellen der neun Einheiten werden einzeln mit demselben Modulationssignal verglichen. Daher spiegeln die Breitenänderungen der neun PWM-Impulse die Amplitudenänderungen des Modulationssignals präziser wider. Dies erhöht jedoch die Menge der Abtastdaten um das Neunfache im Vergleich zu einer einzelnen Einheit, was die Verarbeitung durch die CPU (87C196MC) erschwert. Hinzu kommt, dass nicht genügend Ausgänge vorhanden sind, was ein zu lösendes Problem darstellt. Die Lösung in diesem Entwurf besteht darin, nur eine Einheit für die Abtastung zu verwenden, während die anderen Einheiten diesen Abtastwert nutzen. Dies ist im Wesentlichen eine Annahme: Nachdem die erste Einheit abgetastet hat, bleibt das Modulationssignal während der Abtastzeit der Einheiten 2, 3, ..., 8 und 9 unverändert. Das sinusförmige Modulationssignal wird, wie in Abbildung 8 dargestellt, als Stufensignal modelliert. Diese Näherungsmethode ermöglicht eine einfache Digitalisierung der Trägerphasensteuerung. Der Fehler dieser Modellierung lässt sich aus zwei Perspektiven analysieren: a) Die Stufenwelle muss die gleiche Fläche wie die entsprechende Sinuswelle aufweisen. Wie in Abbildung 8 dargestellt, ist die Fläche der Stufenwelle im ersten Viertel des Zyklus kleiner als die der ursprünglichen Sinuswelle. Im zweiten Viertel des Zyklus ist die Fläche der Stufenwelle größer als die der ursprünglichen Sinuswelle. Der vergrößerte Bereich entspricht exakt dem verkleinerten. Betrachtet man den gesamten Halbzyklus, ist der Flächenunterschied zwischen Sinuswelle und Stufenwelle vernachlässigbar. Daraus lässt sich schließen, dass der durch die Modellierung verursachte Flächenfehler gering ist. Die Stufenwelle ist gegenüber der ursprünglichen Sinuswelle um eine halbe Trägerperiode verzögert. Die Phasen A, B und C sind jeweils um eine halbe Trägerperiode verzögert, die Phasenbeziehung des dreiphasigen Ausgangssignals bleibt jedoch unverändert. b) Analyse unter Berücksichtigung der Oberwellen. Die vorherige Aussage zum minimalen Fehler ist eine Durchschnittsbetrachtung; Stufenwellen enthalten zwangsläufig Oberwellenanteile, und Verzerrungen sind unvermeidbar. Die mathematische Ableitung, berechnet mit den Parametern dieser Auslegung, ergibt einen Klirrfaktor (THD) von ca. 3,63 %. Dies entspricht der zusätzlichen Verzerrung, die bei der Modellierung einer Sinuswelle als Stufenwelle entsteht. Der Effektivwert der Stufenwelle entspricht dem der ursprünglichen Sinuswelle, während die Grundkomponente der Stufenwelle der ursprünglichen Sinuswelle sehr ähnlich ist. Die Hauptharmonischen liegen jedoch deutlich über der Grundfrequenz. Dadurch eignet sich diese Wellenform optimal für Motorantriebe, ohne Drehmomentpulsationen zu erzeugen. Die Ergebnisse des anschließenden Prototypenbetriebs bestätigen die Zweckmäßigkeit dieses Konzepts. 5. Steuersignalübertragung: Um die Systemzuverlässigkeit zu gewährleisten und Störungen durch hohe Spannungs- und Stromspitzen an den Steuersignalen zu vermeiden, wird eine Glasfaserübertragung eingesetzt. Die Steuersignale jeder Einheit werden parallel über mehrere Kanäle übertragen, wodurch die Anzahl der Zwischenschritte der Signalverarbeitung reduziert wird. Der praktische Nutzen ist hervorragend. 4. Bedienerüberwachungssystem: Das gesamte Bedienerüberwachungssystem besteht aus einem Host-Computer (handelsüblicher PC), einem Slave-Computer (Industrie-Steuerungscomputer) und einem Mikrocontroller (siehe Abbildung 9). Der Mikrocontroller stellt dem Benutzer ein 4-stelliges LED-Display und eine 12-Tasten-Tastatur zur Verfügung und ermöglicht so die vollständige Bedienung des Frequenzumrichters, einschließlich Parametereinstellungen und verschiedener Betriebsbefehle. Der industrielle Steuerungsrechner bietet Anwendern eine Bedienplattform mit Touchscreen und Universaltastatur. Sein Funktionsumfang ist umfassend und beinhaltet Parameter- und Funktionseinstellungen, Bedienung, Betriebsdaten und Druckfunktionen, Fehlerdiagnose usw. Der Host-Rechner (handelsüblicher PC) befindet sich im zentralen Kontrollraum und kann mehrere Frequenzumrichter fernsteuern und messen. Bei nur einem Frequenzumrichter kann auf den Host-Rechner verzichtet werden. Der industrielle Steuerungsrechner ist leistungsstark; eine detaillierte Beschreibung würde den Rahmen sprengen. Daher wird hier nur die Hauptschnittstelle dargestellt (siehe Abbildung 10). Die Abbildung verdeutlicht den Funktionsumfang und die einfache Bedienung. Beispielsweise können historische Betriebsparameter angezeigt und ausgedruckt sowie Fehlerursachen abgefragt werden. V. Betriebsstatus und Entwicklungszusammenfassung: Wir haben den Anwendern Nachbetreuung angeboten, und ihr Feedback bestätigte einen ausgezeichneten Betrieb. Das Unternehmen führte eine umfassende Auswertung der Entwicklungsarbeiten an mehreren Prototypen durch. Unsere Schlussfolgerungen lauten: 1. Das Prinzip ist korrekt und die Struktur sinnvoll. 2. Die Software läuft einwandfrei und die Funktionen sind im Wesentlichen vollständig. 3. Die Stromversorgung des Steuerungssystems weist spezifische Merkmale auf. Die Steuerung kann auch dann mit Strom versorgt werden, wenn der Hauptstromkreis stromlos und unbelastet ist (Leerlauf). In diesem Fall entsprechen die Wellenformen an jedem Punkt exakt denen im eingeschalteten und belasteten Zustand des Hauptstromkreises. Daher kann das System ohne Stromversorgung und Last getestet und die Bediener geschult werden, was die Installation, Fehlersuche und Wartung vor Ort vereinfacht. 4. Die Näherungsmethode mittels eines Stufenmodells von Sinuswellen ermöglicht die komfortable vollständige Digitalisierung der Trägerphasenverschiebungstechnologie und nutzt die begrenzten Ressourcen des Mikrocontrollers optimal aus. Referenzen: 1. General-Purpose Frequency Converter and Its Applications, 2nd Edition, Han Anrong; 2. Modern AC Speed ​​Control Technology, Hu Chongyue.