1 引言
进入21世纪以来，随着世界经济的复苏，国内经济的发展，国际上的各种能源价格不断上涨，国内的能源价格也同步上涨。在能源成本的压力下，国内的企业开始大量应用各种节能降耗设备。在大型工业系统中，用变频器带动电动机的应用越来越广泛，容量越来越大，关联系统越来越多，要求的等级越来越高，对变频器相应的性能要求随之越来越严。
在大型的风机拖动中，风机叶轮与电机转子的质量加起来均达到上千千克以上，造成在系统中回转部分的转动惯量极大，高速时储存的飞轮动能极多，风机的启动时间长、电流大,属于对回转体系统中飞轮动能的储存过程。当在风机在高速运行时，电机断电停止后，由于其回转系统中储存飞轮动能在阻力下慢慢损耗，风机转速只会缓慢下降。只有当全部飞轮动能损耗完毕后，风机才能完全停止，故而大型风机自由停车的时间都很长，且在停止过程中转速下降较慢。
当在高压电源系统出现问题时，进行重合闸，互相投切时，由于高压电网的灭弧，消磁等因素，都会出现0.1s～1.5s左右的失电间隔。风机等负荷由于自身的飞轮动能支持下，转速变化不大，使电机具备直接加电的条件。故在高压系统瞬间失电时大容量高压电机的高压电开关均保持在合闸位置，在电源恢复时，由于电机转速仍然很高，电机上电时冲击电流很小，不会造成电网波动，能够保持系统的连续运行。
当变频器在瞬时失电时不能维持连续运行，不但会造成高压电机出现瞬时失电时停止运行，且与原工艺要求相抵触。那么在需要一个工作区的时间内动力部分不能停止的大型系统中将无法使用变频器，而国内节能潜力最大的部分就包含在其中，故对老系统的大型电机进行变频改造时，将要求变频器具有瞬时失电而能连续运行的功能。
对于国内应用最广泛的多电平单元串联电压源型变频器，利用功率单元内电容阵列作为能源中继池，通过特定逻辑程式，结合变频器自身的拓补结构，利回转系统中的飞轮动能作为瞬时失电时变频器运行的能源，从而实现变频器瞬时失电连续运行。
2 多电平单元串联电压源型高压变频器系统结构简介与实现电源失电连续运行的研究方向
2.1 主回路系统结构简介
(1) 由移相变压器和功率单元构成主回路。其示意图如图1所示。
图1 多电平单元串联电压源型变频器主回路
(2) 主回路接线方式
高压电源首先供给移相变压器主绕组，在移相变压器副边有18个相互独立的绕组，它按延边三角形的绕法，实现每个10°的移相的组别，用于分别给18个功率单元供电，它们根据组别组成a，b，c三组，串联成为星形连接结构方式输出频率可调的正弦波，供给高压电动机运行与调速使用。
2.2 多电平单元串联电压源型变频器中的功率单元结构简介
(1) 功率单元内部元件组成
每一个单元相当于一个小功率低压变频器，由整流输入二极管桥，储能电容，h桥形输出斩波igbt组成，其原理图如图2所示。
图2 功率单元电气回路原理图
(2) 功率单元工作时状态
三相交流电源通过功率单元内整流二极管桥进行整流后，将其输入电容阵列，电容阵列对脉动的直流进行滤波，使其变为恒定的直流电。电容阵列同时作为pwm输出的电压能量中继池，提供给输出回路稳定的电压与脉动驱动电流。h桥形igbt回路将电容阵列的直流电压转换为pwm波形电压输出。
2.3 实现高压电源失电变频器连续运行的可能性
(1) 失电后功率单元主控板运行
要实现电源失电变频器运行，首先保证在高压电源消失后，在率单元内的主控板正常供电运行。通过将主控板的电源由从移相变压器二次侧供应更改为控制系统独立供应，它用ups供电的多绕组隔离变压器给每个功率单元主控板供电，实现功率单元在输入主回路电源失电时，主控板能正常供电运行，保持控制单元与功率单元光通讯正常，控制单元能实时改变功率单元内的工作状态，保持主控板对组成h桥的igbt的正常驱动，保护回路的正常运行。
(2) 失电后变频器输出稳定波形的可能性
多电平单元串联电压源型变频器的波形输出，是由每个功率单元从内部的电容阵列的能源中继池，通过h桥变换为pwm波输出。功率单元输入整流变换在瞬时可以视为用于给电容阵列进行电能补充的回路。如图3所示。
图3 多电平单元串联电压源型变频器单元串联电气图
当电源失电时，相当于将电容充电回路中的整流电源失电，由于三相二极管整流器的不可逆性，相当于整流回路已关闭或切除，不再给电容阵列补充电量。电容的电压变化将由h桥的pwm工作状态所确定。
如图3中所示，当在电源失电后，相当于将图中阴影部分的回路已切除。这时，在短时间内，可以将电容阵列等效为一个电池组，那么变频器在失电期间将可以等同为一个由电池进行供电运行的变频器。若能保证电容电压的稳定，那么就能实现在失电时变频器的连续运行。
2.4 多电平单元串联电压源型变频器失电连续运行研究的主攻方向
(1) 首先解决在失电时，功率单元内主控板的电源供给。
(2) 多电平单元串联电压源型变频器属于交—直—交类型的变型器，由其拓朴结构决定其分为输入变流，储能稳压，变换输出三部份结构，在变频器失电时，仅有储能稳压，变换输出结构在运行，故在检测单元内运行各量值的要求作出相应的设定调整。
(3) 解决变频在失电时，功率单元电容阵列电压的稳定。保持其电压波动在额定值75%以内波动。
(4) 解决在变频器失电时，主回路元件的能量损耗。通过严密的逻辑分析，精确的计算，将h桥的pwm波形输出改变，使电机运行于能量回馈的状态，使转子回路中的飞轮动能受控转换为电容阵列的电能，补充主回路元件的消耗与电容阵列电压的稳定。
3 多电平单元串联电压源型变频器瞬间失电状态的试验回路
3.1 功率单元主控板供电回路的改变
(1) 更改前功率单元主控板供电
多电平单元串联电压源型变频器工作时，每一个功率单元都处于一个独立的电平上，必须保证其与其它回路相互隔离，功率单元内主控板的电源从移相变压器二次侧供应，主回路的电源与控制回路的电源从移相变压器的一个副边绕组取出，达到功率单元相互的电气隔离要求。但是在这种结构中，当高压回路失电后，主控板的电源也随之消失，将直接造成功率单元的主控板失电停止工作，无法达到高压电源短时失电时主控板保持正常工作的要求。
(2) 更改后功率单元主控板供电
在外部加一个不间断电源(ups)作为供电电源。用一个小型的副边相互隔离的多绕组变压器，分别为每个功率单元的主控板供电。当高压电源失电后，功率单元在主回路失电的情况下，主控板的电源从ups经过隔离变压器正常供给，使主供板电源处于正常供应状态，能够对功率单元的器件的状态进行控制，并通过光纤将功率单元的运行状态发送至控制单元，并同时从控制单元接收调整指令，对功率单元工作状态进行调整。从而具备的多电平单元串联电压源型变频器在高压电源失电后连续运行的初始条件。
3.2 多电平单元串联电压源型变频器高压回路失电试验回路结构
(1) 用隔离变压器对功率单元内主控板进行供电，总体回路结构如图4所示。
图4 变频器瞬间失电连续运行试验系统回路示意图
(2) 验回路的设计原则
在进行高压失电变频器连续运行试验回路中，由于试验会出现多次的高压合闸与分闸，它包括试验中的大电流，时间不可控的跳闸，为防止在电感回路中多次合闸对移相变压器的电流冲击，电压冲击所产生的热冲击与机械冲击对移相变压器绝缘的损毁，故在主回路中由km1，md2，r1组成了一个高压加电软启动回路。从而能在多次失电试验中，消除反复的上电冲击对变压器绕组造成的损害，并可以在短时间内进行多次合闸试验。
3.3 多电平单元串联电压源型变频器瞬间失电的试验操作方案
(1) 将变频器的控制系统，高压系统正常加电，并启动变频器，带动一台三相异步电动机在调速状态下空载运行。km1保持在接通状态，km2处于断开状态。移相变压器由km1供电，隔离变压器由2kw的不间断电源(ups)供电。
(2) 根据试验要求设定高压回路瞬时失电步骤，在失电指令发出时，控制系统将km1断开，此时km1和km2均处于断开位置则变频器高压输入消失，功率单元主回路系统失电。功率单元的控制系统电源由ups通过隔离变压器保持正常供应。此时，整个高压变频系统即处于高压失电的状态。
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