专利名称：高压变频器功率单元控制信号传输系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及电气系统中的高压变频器的控制系统，具体是一种高压变频器功率 单元控制信号传输系统。
背景技术：
随着电力电子技术的发展，变频器作为电力电子技术发展的产物，在钢铁、石 化、自来水、电力等行业得到广泛的应用，特别是高压变频器的应用日益广泛。
目前高压变频器主要分为电压源型和电流源型两种类型，电流型变频器存在功 率因数低，对电网的谐波污染大等缺点其应用场合受到很大限制。电压源型高压变 频器主要有以下几种类型-
1、 高低方式高压变频器将电网的电压通过变压器转化为低压，利用低压变 频器和低压电机的组合实现变频
2、 低高方式高压变频器与上述变频器不同的是在低压变频器的输出侧又增 加了一变压器，可使用高压电机进行调速。
3、 三电平方式高压变频器他是利用高压器件的串联解决耐压问题。
4、 功率单元串联多级电平式高压变频器它利用低压功率单元的串联实现高 压，同时利用移相变压器技术解决对电网的谐波污染，采用二极管整流，使电网侧 的功率因数高。
上述第1种和第2种高压变频器属于过渡技术已经淘汰，由于成本较低在小功 率场合仍有应用。第3种虽然是较新的技术，但是受器件限制,最高电压只能到4160 伏，对于国内6KV和IOKV主流电网，应用受到限制。上述的第4种高压变频器，即功率单元串联多级电平式高压大功率变频器由多 个单元串联而成，每个单元通过自己的控制板用来和主控制器通过光纤进行信号传 输，该连接是功率单元和主控制器的唯一连接。
为了达到较完美的输入电流和输出电压波形，各个单元的控制是采用移相PWM 技术来实现的，通过该技术处理好每相各级单元之间的时序关系，以减小单元电压 叠加后得到的输出相电压的dv/dt，减小对电缆和电机绕组的冲击。
上述的对各功率单元的控制系统中，比较常用的下发控制信号方法是光纤通讯 方法，在PWM控制系统中，对通信速率的要求是微秒级，需要采用很高的通讯速率。
现有的串联多级电平式高压大功率变频器的控制， 一般基于异步通信原理，用 EPLD器件编写自己的通讯芯片，实现的异步通讯包括一个起始位，8个信号位和一 个停止位，并带有比较和校验措施，对光纤信号能产生报警信号，光纤通讯电路设 计比较复杂，控制器将下发信号(脉宽、相位、旁路控制、复位等)进行编码后下 发，功率单元对接受的信号进行逻辑处理，将控制信号翻译为四个IGBT的开关控 制信号，并保证互锁和旁路逻辑。各个单元将监视单元故障信号(过流，过压、欠 压、缺相、过热、光纤通讯、IGBT驱动电路、旁路电路、电源和复位逻辑故障等) 处理后经过编码，转化为数字信息，并返送控制器。由此决定了每个功率单元都要 有具有解码、编码处理功能的复杂的接收和发送电路，且器件选择时要采用高速器 件。由于通讯采用串行方式，根本上不能克服传输延时和传输速度较慢的缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种电路结构简单，传输信号可靠的用于 串联多级电平式高压大功率变频器的高压变频器功率单元控制信号传输系统。
本发明的高压变频器功率单元控制信号传输系统包括有三条连接在功率单元和控制器之间的用于信号传输的光纤；其中一条光纤用来传输功率单元发往控制器 的上行信号，功率单元状态信号经过单片机和电/光转换电路，再由该光纤向控制 器传输；另外两条光纤用来传输控制器发往功率单元的下行信号，由控制器发出的 功率单元IGBT驱动信号和功率单元控制信号经过两条光纤的传输，再经过光/电转 换电路后送至功率单元。
所述功率单元IGBT驱动信号和功率单元控制信号经过光/电转换电路后分为 两路，第一路信号经过与门电路的一个控制输入端向功率单元的IGBT单元器件输 送IGBT驱动信号，第二路信号经过脉宽检测电路检测后再送至光纤故障检测电路、 旁路信号检测电路和复位信号检测电路进行检测；光纤故障检测电路在光纤故障时 输出光纤故障状态信号，旁路信号检测电路在旁路命令时输出旁路命令状态信号， 复位信号检测电路在复位命令时输出复位命令状态信号；光纤故障状态信号和旁路 命令状态信号经过旁路处理电路控制旁路执行单元执行旁路，复位命令状态信号将 功率单元置于工作等待状态，这三种状态信号通过或门产生IGBT驱动信号封闭信 号并送至上述IGBT单元器件前的与门电路的另一个控制输入端，控制IGBT驱动信 号的封闭，没有这三种工作状态信号时为正常工作状态，正常工作状态下IGBT驱 动信号经过与门电路控制功率单元正常输出功率。
本发明采用以上技术方案后，由于直接传输控制信号波形，无信号处理延时， 在功率单元侧不需要复杂的解码电路，控制信号宽度在0. 1亳秒和1. 25毫秒之间， 功率单元与控制器通讯速率为19. 2KHZ/S,低速先纤信号接收和发送电路能满足电 路设计要求，通讯电路无需专门设计，普通的单片机芯片中串口功能能简单实现，光 纤信号宽度检测可以釆用通用单稳态电路实现，技术可行性好、成本低。更为重要 的是由于整个电路未采用复杂电路和复杂器件，显著提高了电路的可靠性，特别是在髙电压大电流工作环境下。
图1是本发明实施例的电路原理图； 图2是本发明实施例中脉宽检测电路的电路原理图； 图3a和图3b是本发明实施例中旁路处理电路的控制原理图； 图4是本发明实施例中功率单元状态信号上行传输的原理图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明实施例的传输系统包括有三条连接在功率单元和控制器之 间的用于信号传输的光纤；其中一条光纤用来传输功率单元发往控制器的上行信 号，功率单元状态信号经过单片机和电/光转换电路，再由该光纤向控制器传输； 另外两条光纤用来传输控制器发往功率单元的下行信号，由控制器发出的功率单元 IGBT驱动信号和功率单元控制信号经过两条光纤的传输，再经过光/电转换电路后 送至功率单元。
上述下行信号中，功率单元IGBT驱动信号是由控制器计算确定的PWM波形实 时控制信号，为连续脉冲波形。
功率单元控制信号可以使功率单元为旁路状态或复位状态。与驱动信号不同，
控制信号为持续逻辑电平信号。同一逻辑电平持续时间大于P而波形周期3倍以上。 功率单元旁路是使本单元退出系统运行，但同时继续为变频器整机运行提供电
流通道，实施例中两路下行信号持续为逻辑电平"1"。
功率单元复位是使本单元不在工作状态，但可以随时接受IGBT驱动信号而进 入工作状态，实施例中两路下行信号持续为逻辑电平"0"。
上述的上行信号，是功率单元将自身状态(过流，过压、欠压、缺相、过热、光纤故障、IGBT驱动电路、旁路、电源，复位等)上传给控制器。
本实施例中，功率单元每路输入控制信号工作状态有以下三种形态脉冲工作
状态、长逻辑"1"状态、长逻辑"0"状态。
对于两路控制输入控制信号，有效工作状态有以下三种状态-
1、 两路信号同为脉冲工作状态
2、 两路信号同为长逻辑"1"状态
3、 两路信号同为长逻辑"0"状态
以上三种状态之外的状态为非法工作状态，内部控制逻辑电路将其余状态判定 为光纤信号传输存在物理故障，自动将本地功率单元旁路。
工作在"1"状态时，信号作为IGBT驱动信号直接控制两个半桥式IGBT单元 器件。
工作在"2"状态时，信号将旁路信号打开，然后将IGBT驱动信号封锁。 工作在"3"状态时，只有本地功率故障状态消失的情况下控制功能有效，此 时将IGBT驱动信号封锁，当本地功率单元在控制器作用下处于旁路状态，如果需 要将本地功率单元重新投入使用，在此状态下已旁路状态可以解除。 如图2所示的光纤信号脉宽检测电路中，电路输出效果如下 在脉冲信号输入状态下，A和B都为"0"。 "1"输入超时状态下，A输出"1", B输出"0"。 "0"输入超时状态下，A输出"0"， B输出"1"。 图3a和图3b给出了旁路处理电路的控制原理。
图3a所示为旁路功能的实现1A和2A为两路信号检测A端输出信号，为避 免旁路产生冲击，延迟封锁IGBT，此时两个IGBT驱动信号同为"1",功率单元输出端无电压差，旁路单元导通时无冲击，当光纤未插入状态下，1A和2A都输出"1"， 功率单元自动旁路，功率将旁路状态送控制器并报警。
图3b所示为复位功能的实现1B和2B为两路信号检测B端输出信号，复位 功能在以下两种情况出现1、刚通电状态下，主控制器对所有功率单元复位。在功 率单元旁路状态下且无故障状态下，主控制器发出的解除信号。当功率存在故障时 复位功能无效。
图4所示是本实施例中上行信号的传输。由单片机采集功率单元状态，向主控 制器发送状态信息，发送只采用一根光纤，每个功率单元自由发送，数据采用特征 编码方式表示状态含义，数据发送时有校验功能。
权利要求
1、一种高压变频器功率单元控制信号传输系统，其特征是它包括有三条连接在功率单元和控制器之间的用于信号传输的光纤；其中一条光纤用来传输功率单元发往控制器的上行信号，功率单元状态信号经过单片机和电/光转换电路，再由该光纤向控制器传输；另外两条光纤用来传输控制器发往功率单元的下行信号，由控制器发出的功率单元IGBT驱动信号和功率单元控制信号经过两条光纤的传输，再经过光/电转换电路后送至功率单元。
2、 根据权利要求1所述的高压变频器功率单元控制信号传输系统，其特征是 所述功率单元IGBT驱动信号和功率单元控制信号经过光/电转换电路后分为两路， 第一路信号经过与门电路的一个控制输入端向功率单元的IGBT单元器件输送IGBT 驱动信号，第二路信号经过脉宽检测电路检测后再送至光纤故障检测电路、旁路信 号检测电路和复位信号检测电路进行检测；光纤故障检测电路在光纤故障时输出光 纤故障状态信号，旁路信号检测电路在旁路命令时输出旁路命令状态信号，复位信 号检测电路在复位命令时输出复位命令状态信号；光纤故障状态信号和旁路命令状 态信号经过旁路处理电路控制旁路执行单元执行旁路，复位命令状态信号将功率单 元置于工作等待状态，这三种状态信号通过或门产生IGBT驱动信号封闭信号并送 至上述IGBT单元器件前的与门电路的另一个控制输入端，控制IGBT驱动信号的封 闭，没有这三种工作状态信号时为正常工作状态，正常工作状态下IGBT驱动信号 经过与门电路控制功率单元正常输出功率。
全文摘要
本发明涉及电气系统中的高压变频器的控制系统，具体是一种高压变频器功率单元控制信号传输系统。该系统包括有三条连接在功率单元和控制器之间的用于信号传输的光纤；其中一条光纤用来传输功率单元发往控制器的上行信号，功率单元状态信号经过单片机和电/光转换电路，再由该光纤向控制器传输；另外两条光纤用来传输控制器发往功率单元的下行信号，由控制器发出的功率单元IGBT驱动信号和功率单元控制信号经过两条光纤的传输，再经过光/电转换电路后送至功率单元。本发明技术可行性好、成本低，显著提高了电路的可靠性。
文档编号H02M1/00GK101303796SQ200810122719
公开日2008年11月12日 申请日期2008年6月26日 优先权日2008年6月26日
发明者杨振宇, 田龙江, 着剑锋, 斌 陈, 鲁加明 申请人:镇江华东电力设备制造厂