线路谐振对大功率变频装置影响的研究

摘要：通过对一种高压大功率变频器烧损原因的分析，研究了线路高频谐振与变频器功率开关器件损坏之间的内在联系，在剖析振荡电流与器件触发脉冲波形的基础上，发现线路谐振是造成功率开关器件强制高频开通、关断的原因，并且导致了器件的不完全导通和关断，使器件发生局部过流和过热而造成损坏。以上分析对于变频器的结构及控制方法的设计具有一定的意义。 关键词：变频 谐振 谐波 过流 1 引言 近年来，高压大功率变频器得到了越来越多的应用，数MVA甚至是十几MVA的大功率变频器已经逐渐开始应用到工业现场。如果输出电压具有非常大的dV／dt，对于GTO器件，dV／dt可达到1000V／μs，而对于IGBT器件，dV／dt可达到20000V／μs。由于长线电缆存在分布电感及分布电容，当其波阻抗与电动机的等效阻抗不匹配，则在变频器与负载电机之间的馈电电缆上可能发生电压行波反射现象，形成过电压；同时由于输出电压中包含有丰富的谐波，在线路电缆中将引起高频谐振，以上两方面原因将造成电缆或电机的损坏，这在多篇论文中已经进行了分析；本文将研究高频谐振对变频器的负面影响，详细分析高频谐振造成变频器烧损的机理及解决问题的措施。 2 烧损情况简介 我们使用了一台16MVA的多电平高压大功率变频器来驱动一辆电动机车。为了减轻列车的重量，采用了变频器置于地面的供电方式，因此变频器距离驱动电机最远达到了十几km。变频器在实验室经过测试，各项性能指标都达到了设计要求，满足现场应用的需要。在现场安装调试结束后，系统正常运行。但在系统运行1个月后，变频器发生烧损。经检查发现，变频器逆变模块的一个三电平桥臂的4个GTO器件及门驱动电路烧损，逆变模块结构图见图1。经过仔细测试分析后没有发现烧损的原因，于是更换了GTO及其它器件后继续运行。但一段时间后变频器又发生烧损，以至于在随后不到一年的运行中先后发生了8次变频器烧损，仅变频器维修就造成了几百万元的巨大损失。为了找到烧损的原因，我们采用故障跟踪系统对变频器所有的驱动、保护、状态及输出电压电流信号进行了实时跟踪记录，对每次损坏时记录的数据进行了故障分析。 3 故障分析 变频器的直流母线电压是5000V，开关器件采用的是TOSHIBA生产的SG 4000GXH28型号的GTO，其正向阻断电压为4500V，由于本变频器采用三电平结构，每个GTO承受的电压为直流母线电压的一半，所以选用器件的电压等级没有问题。在对烧损的变频器检测时发现有6次烧损时其snubber电路并没有损坏，（其余两次尽管snubber电路损坏，但极有可能是GTO烧损时电流拉弧造成），可以排除过压烧损的可能。 变频器的最大输出电流为2500A，所选GTO的关断电流为4000A，电流等级也没有问题。直流母线侧的限流电感也没有损坏，可以排除是di／dt的原因。另外我们发现一个非常特别的现象，大多数的损坏并不是发生在列车刚起动的时刻（此时是变频器输出电流最大的时刻），而是损坏在列车最高速度的位置（此时变频器输出电流很小），特别是当列车从最高速度开始减速运行时，电流非常小。这进一步排除了过流损坏的可能。 进一步分析故障跟踪系统记录下的变频器烧损时的系统状态。可以发现GTO的触发脉冲逻辑顺序，死区设置等都没有问题。而在分析系统状态与输出电流波形时发现了异常，见图2。 图2a是变频器6个桥臂的GTO状态图，图2b是6个桥臂的输出电流波形（为了实现变频器的高压大电流输出，本变频器采用两个逆变模块组合而成，故有6个桥臂）。在靠近右端的波形畸变处为烧损时刻。为了仔细分析波形，我们选择1号桥臂的GTO状态与输出电流波形进行放大分析，见图3。 图3a是桥臂上4个GTO动作的状态，通过不同时刻不同GTO的开通和关断构成了多电平的输出，由波形可以算出此时变频器的输出频率为230Hz。图3b是变频器的输出电流波形，可以看出，在输出的正弦波上叠加有振荡波形，这就是输出电缆谐振造成的。对输出电流波形进行快速傅立叶分析，见图4，可见除230Hz的基波外，还存在幅值几乎同等大小的2530Hz左右的高频谐波，正好是基波的11次谐波。11次谐波电流幅值如此大，正是由于变频器长距离输出电缆的分布电感及分布电容的阻抗正好与11次谐波发生谐振造成的。同时还存在幅值较小的5次、7次、13次、17次等谐波。从电流波形可以看到，正是由于如此大的谐波振荡，正弦基波被强制振荡过零，其频率近似达到了2500Hz。而电流在零点附近的振荡又将强迫GTO导通和关断，不再受门极触发信号的控制，也就是说GTO的开关频率被强制达到了2500Hz，而如此大功率的GTO器件，推荐使用开关频率为不超过1000Hz，因此这是导致GTO温度升高的原因之一。 进一步分析GTO的开关过程，发现问题严重得多。GTO是由许多GTO微单元并联而成的，数百个以上的GTO微单元制作在同一个硅片上，每个GTO微单元的特性总会存在差异，使得GTO微单元的电流分布不均，通态压降不一，在开通过程中导通区有一个从小到大的扩展过程，阳极电流有一个上升的过程，阳极电压也有一个下降的过程，所以此时开关损耗非常大。为了缩短GTO阳极电流滞后时间、加速GTO阴极导电面积的扩展，减少开关损耗，触发脉冲必须采用强触发，其波形见图5。导通触发脉冲的前沿陡度dV／dt要足够大，脉冲前部幅值要足够大，维持10～60μs。其后半部波形幅值很小，仅为前半部的1／5左右，（理论上可以为零），其作用在于减小导通时的管压降，降低功耗和管子结温。由图3可以看出，在GTO的一个触发周期内由于谐振的原因GTO要反复开通多次，除第一次开通外其余的开通都是在触发脉冲的强触发结束以后进行的，在失去强触发的条件下使得有些GTO微单元处于非导通状态，仅有部分微单元处于导通状态，承受全部负载电流，因而形成局部过流过热，进一步造成GTO烧损。 在GTO关断过程中，由于尖峰电压和尾部电流的存在，关断瞬间也产生很大的瞬态功耗，一般在几μs至几十μs，因此在所有的GTO微单元都能同时关断的理想情况下，关断损耗不会使整个PN结的温度发生很大的变化，可是如果各个GTO微单元不是同时关断，就可能使关断瞬态功耗集中在个别关断较晚的GTO微单元上，从而形成局部过流，使GTO产生局部过热点，造成GTO烧损；或使GTO漏电流显著增大，当漏电流大于某个GTO微单元的擎住电流时，GTO将发生再导通现象，导致系统短路，变频器烧损。所以为了加快关断过程，提高各个GTO微单元动作的同时性，必须对门极施加很大的关断电流，关断时门极负电流越大，关断时间越短，GTO微单元动作的同时性越强，本变频器的驱动门电路为GTO提供高达1000A的关断电流。但由图3可以看出，由于振荡造成的GTO反复关断是在GTO的一个触发脉冲周期内，除了最后一次关断有门极关断信号外，其余几次关断根本就没有门极关断触发信号，所以关断损耗变大，GTO微单元形成局部过流，最终导致系统烧损。 经过以上分析，消除线路的高频振荡是解决这一问题的关键。通过改进变频器的控制方法，采用消除输出特定谐波的算法（如SHEPWM），高频振荡问题得到了有限抑制，消除了对变频器的不利影响。另外也可以通过外接输出滤波器或线路匹配电感等方法有效地解决这一问题。 4 结论 在变频器输出电缆比较长的情况下，线路发生的高频谐振不仅将引起电机和电缆的过压烧损，而且对变频器的正常运行也造成很大的影响，其根本危害在于在没有合适触发脉冲的条件下强制开关器件高频开通和关断（局部开通和关断）。另外在变频器驱动感性或容性负载时，即使线路没有振荡，如果电压和电流相位差较大的情况下，也会发生类似的情况，特别是多电平变频器。只不过这种条件下因为没有振荡，局部开通或关断的频率没有超过设计的开关频率范围，对系统的影响较小。因此在设计变频器系统的控制方法及门极触发脉冲波形时对以上两种情况应给予充分考虑。