摘要：在大功率風(fēng)機(jī)變流器中，絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的工作可靠性對(duì)整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行有著直接影響。分析了驅(qū)動(dòng)窄脈沖對(duì)風(fēng)機(jī)變流器IGBT可靠運(yùn)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(shí)基于28335型DSP不對(duì)稱死區(qū)設(shè)置的特點(diǎn)，指出不對(duì)稱死區(qū)設(shè)置將進(jìn)一步減少觸發(fā)窄脈沖的寬度而卻使得關(guān)斷窄脈沖最少維持了2個(gè)死區(qū)時(shí)間。但關(guān)斷窄脈沖對(duì)IGBT單元體反并聯(lián)二極管的危害卻依然值得關(guān)注。最后給出了相關(guān)測(cè)試波形，對(duì)窄脈沖問(wèn)題的分析和抑制具有參考意義。
關(guān)鍵詞：變流器；風(fēng)機(jī)；絕緣柵雙極型晶體管；窄脈沖

1 引言
    隨著環(huán)境和能源問(wèn)題的不斷加劇，風(fēng)力發(fā)電作為一種應(yīng)用前景廣闊、經(jīng)濟(jì)性較突出的綠色可再生能源而備受關(guān)注。而帶有大功率變流器設(shè)備的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組能有效利用風(fēng)能，受到廣泛關(guān)注。
    風(fēng)電機(jī)組工作環(huán)境惡劣，卻又要求安全性和可靠性高，這就對(duì)含有大功率電力電子器件的風(fēng)機(jī)變流器提出更高要求。這里結(jié)合IGBT驅(qū)動(dòng)窄脈沖對(duì)風(fēng)機(jī)變流器的影響，分析SVM中窄脈沖產(chǎn)生原理及死區(qū)設(shè)置對(duì)窄脈沖的影響，探討窄脈沖的避免與抑制，進(jìn)一步提高風(fēng)機(jī)變流器運(yùn)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(guān)斷窄脈沖，即體二極管出現(xiàn)窄脈沖。這兩種均為半導(dǎo)體器件在未完全開(kāi)通時(shí)又立即關(guān)斷的行為，都可能導(dǎo)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(yùn)行受到嚴(yán)重威脅，甚至損壞。特別對(duì)于體反并聯(lián)二極管單元，若IGBT出現(xiàn)關(guān)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(kāi)通又立即關(guān)斷的行為，進(jìn)而產(chǎn)生比IGBT窄脈沖觸發(fā)更嚴(yán)重的關(guān)斷電壓尖峰或振蕩。產(chǎn)生上述過(guò)高浪涌電壓或振蕩的原因?yàn)椋喊雽?dǎo)體器件在導(dǎo)通后極短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入反向恢復(fù)階段，在還未積累充分?jǐn)?shù)量載流子的狀態(tài)下外加電壓，過(guò)渡層迅速擴(kuò)大，使其產(chǎn)生強(qiáng)烈的di／dt，du／dt。故為實(shí)現(xiàn)IGBT的可靠應(yīng)用，一般應(yīng)限制最小觸發(fā)和關(guān)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(qū)動(dòng)輸入光信號(hào)異常導(dǎo)致，而有些則是由于控制系統(tǒng)或電氣參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)導(dǎo)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(guò)相應(yīng)的理論分析與軟件設(shè)計(jì)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(fēng)電機(jī)組變流器均采用SVM控制。三相逆變器開(kāi)關(guān)管共有8個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，這8個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)構(gòu)成了8個(gè)基本電壓空間矢量，如圖2所示，其中6個(gè)為有效矢量，幅值2Udc／3，相位依次相差60°；兩個(gè)為零矢量，幅值為零。

    一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，基本電壓矢量按分時(shí)方式發(fā)生作用，在時(shí)間上構(gòu)成一個(gè)空間矢量序列，以合成目標(biāo)矢量。目前風(fēng)機(jī)變流器均采用基于DSP的對(duì)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(qū)動(dòng)波形圖如圖3所示。可見(jiàn)，7段式波形合成特點(diǎn)為：①在調(diào)制度接近零時(shí)，各IGBT驅(qū)動(dòng)波形占空比接近50％，大功率變流器中，開(kāi)關(guān)周期較長(zhǎng)，不會(huì)出現(xiàn)窄脈沖；②當(dāng)目標(biāo)矢量位于兩個(gè)基本矢量中間位置時(shí)，零矢量作用時(shí)間最短；③在接近滿調(diào)制時(shí)，零矢量作用時(shí)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(shí)間；④極端時(shí)，即滿調(diào)制(目標(biāo)矢量位于兩個(gè)基本電壓矢量中間)時(shí)，無(wú)零矢量作用時(shí)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(shí)它又具有揮發(fā)性，所以該工序是我公司的安全重點(diǎn)保護(hù)區(qū)。我公司已采取了一些防范措施，如共投入使用十臺(tái)抽風(fēng)風(fēng)機(jī)，因針對(duì)的是易燃易爆氣體，因此要求可靠性極高。若其中一臺(tái)風(fēng)機(jī)故障跳閘或者是停轉(zhuǎn)，將會(huì)導(dǎo)致氣體排放不暢；必然引起危險(xiǎn)氣體的濃度接近或超過(guò)燃點(diǎn)（爆點(diǎn)），這很可能會(huì)造成嚴(yán)重的事故。

二．系統(tǒng)要求
   
    現(xiàn)場(chǎng)十臺(tái)風(fēng)機(jī)的出口均配備有電節(jié)點(diǎn)壓力表，其中五臺(tái)風(fēng)機(jī)采用檢測(cè)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量來(lái)判斷出風(fēng)機(jī)的故障點(diǎn)。只要系統(tǒng)的電機(jī)或風(fēng)機(jī)出現(xiàn)各種故障，系統(tǒng)將立即自動(dòng)發(fā)出聲、光報(bào)警，提醒操作人員進(jìn)行維修和處理。

   
 

三．系統(tǒng)運(yùn)行原理

     風(fēng)機(jī)的出口處安裝有電節(jié)點(diǎn)壓力表，因此只要設(shè)定好相應(yīng)的上下限壓力值，即可直接將風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況（通過(guò)風(fēng)壓反映）送到PLC中進(jìn)行檢測(cè)。

    若沒(méi)有電節(jié)點(diǎn)壓力表，或者使用風(fēng)量傳感器的方式，則可以使系統(tǒng)的風(fēng)量檢測(cè)更為直接準(zhǔn)確。無(wú)論風(fēng)機(jī)，或者是風(fēng)機(jī)的電機(jī)出現(xiàn)任何故障時(shí)，系統(tǒng)均可以直接從風(fēng)量上檢測(cè)到故障，同時(shí)系統(tǒng)將相應(yīng)的給出報(bào)警信號(hào)，因?yàn)槭遣捎米钪苯拥臋z測(cè)方式，所以可靠性大大增加了。

四．系統(tǒng)特點(diǎn)

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

1、 信號(hào)采集準(zhǔn)確可靠

    系統(tǒng)將直接根據(jù)排風(fēng)管的風(fēng)量大�。ㄍㄟ^(guò)風(fēng)量傳感器）和風(fēng)壓大�。�電節(jié)點(diǎn)壓力表）判斷系統(tǒng)的運(yùn)行情況。當(dāng)風(fēng)機(jī)的電機(jī)出現(xiàn)故障（睹轉(zhuǎn)或者是空載）時(shí)，系統(tǒng)的風(fēng)量會(huì)發(fā)生很大的變化，同時(shí)若系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)系統(tǒng)同樣可以發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)。

    因?yàn)椴捎昧孙L(fēng)量和風(fēng)壓雙測(cè)量的方式，因此若風(fēng)量或者是風(fēng)壓檢測(cè)回路中的一個(gè)出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)均可以正常運(yùn)行，而故障回路可以在人機(jī)界面上進(jìn)行屏蔽。

    故障檢測(cè)點(diǎn)檢測(cè)到風(fēng)量信號(hào)后，在PLC中進(jìn)行檢測(cè)和對(duì)比。在人機(jī)界面上各種對(duì)比信號(hào)均可以進(jìn)行設(shè)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(fēng)機(jī)時(shí)，系統(tǒng)可以直接將備用電機(jī)啟動(dòng)，保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。而故障風(fēng)機(jī)退出運(yùn)行過(guò)程的同時(shí)，在人機(jī)界面上以及柜體上均采用聲光報(bào)警的信號(hào)進(jìn)行報(bào)警通知相關(guān)人員進(jìn)行維修處理,彩鋼瓦屋頂通風(fēng)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(gè)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(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)當(dāng)機(jī)（即死機(jī)）情況時(shí)，系統(tǒng)的硬件看門狗電路，與軟件沒(méi)有關(guān)系，可以自動(dòng)將系統(tǒng)復(fù)位后繼續(xù)運(yùn)行。
再次，系統(tǒng)采用風(fēng)量和風(fēng)壓雙重檢測(cè)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(jī)界面顯示風(fēng)機(jī)和電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，而且人機(jī)界面上可以以曲線的圖形方式，顯示和給定風(fēng)量的保護(hù)點(diǎn)，直觀明了。

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

    系統(tǒng)的報(bào)警功能，不但可以以聲光的方式遠(yuǎn)傳到值班室，而且可以通過(guò)MODEM以撥號(hào)的方式直接將風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況，故障情況發(fā)送到固定的BB機(jī)上，實(shí)現(xiàn)無(wú)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(hào)         數(shù)  量     備   注

    PLC主機(jī) 西門子S7-200；216CPU 1 兩個(gè)串口，無(wú)Mordem功能可采用214CPU

PLC數(shù)字量模塊 繼電器輸出 3 2個(gè)8入8出、1個(gè)8入

    PLC模擬量模塊 4模擬量輸入 2 0~5V,屋頂通風(fēng)排熱風(fēng)機(jī)；0~5V

    安全隔離柵 WOS1 3.5-15VDC 5

    人機(jī)界面  PWS-1711STN 1 6寸單色屏

    風(fēng)量傳感器  風(fēng)量風(fēng)速傳感器 5 風(fēng)量輸入4~20mA變送輸出

    UPS電源 UH11-1KVA 純?cè)诰�式,屋頂排風(fēng)機(jī)，延時(shí)半小時(shí)

    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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