基于FPGA的高压变频器中性点偏移技术的算法实现

　目前国内生产的高压变频器大多采用功率单元串联叠加多电平，VVVF控制方式。其拓扑结构如图1 所示。A、B、C三相各6 个功率单元，每个功率单元输出电压为577 V，相电压UAO=UBO=UCO=3 462 V，线电压UAB=UBC=UCA=6 000 V。如果出现任意1 个功率单元故障旁通时，势必造成系统不平衡，从而导致系统停机。经过公司研发人员的理论推导及技术分析，提出了“中性点偏移”的方法。 高压变频器是电力系统中用于调整电动机转速的关键设备，常采用功率单元串联叠加多电平的VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）控制方式。这种控制方式的拓扑结构通常包括A、B、C三相，每相由多个功率单元串联，每个单元输出电压一般为577V。当系统正常工作时，相电压和线电压维持在特定值，如UAO、UBO、UCO为3462V，UAB、UBC、UCA为6000V。 然而，一旦发生功率单元故障，传统的处理方法是旁通故障单元，并同时旁通另外两个相对应的单元，以保持三相电压平衡。但这种方法可能导致电流冲击过大，引起过流保护而停机，并且会导致输出功率显著下降。 为了解决这个问题，"中性点偏移"技术应运而生。该技术的核心在于，在出现故障时，不直接旁通所有相关功率单元，而是通过算法计算出适当的中性点偏移，使得尽管相电压不再相等，但线电压仍能保持恒定，确保电机三相电流平衡。例如，如果A相有一个功率单元故障，中性点会虚拟地从O点移动到O'点，通过计算调整相电压的角度，如从120°变为125.4°和109.2°，以此保持线电压的稳定。 实现这一技术的关键在于FPGA（Field-Programmable Gate Array）和DSP（Digital Signal Processor）的协同工作。DSP负责收集故障信息，处理后向FPGA发送旁通命令、地址和数据。FPGA则根据这些信息执行相应的处理，调整中性点位置。具体来说，TI公司的TMS320F206 DSP芯片因其高性能CPU和高效指令集被选用，而Altera公司的EP1C6Q240C8 FPGA则提供了足够的逻辑资源和高速接口，以满足实时计算和数据处理的需求。 在数据处理过程中，DSP会封锁故障单元的PWM信号，存储故障信息，并向FPGA发送旁通命令。地址信号通过ab[7..0]编码，包括旁通地址、同步地址和偏移地址，由DSP向FPGA发送。数据总线gcm_data[15..0]则用于传输旁通命令、同步数据和偏移数据，确保FPGA可以正确执行中性点偏移算法。 基于FPGA的高压变频器中性点偏移技术是一种创新的故障处理策略，通过精确的算法计算和实时的硬件响应，实现了在功率单元故障时维持系统的稳定运行，降低了停机风险，同时也减少了功率损失。这种技术的实施依赖于先进的数字信号处理技术和可编程逻辑器件，展示了现代电力电子技术与计算技术的深度融合。