专利名称：一种四象限级联型高压变频器功率单元测控方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于电力电子领域中的高压变频器功率单元测控技术，具体涉及一种四象限级联型高压变频器功率单元测控方法及装置。
背景技术：
目前，全世界正在为能源紧缺而困扰，我国的能源形势尤其严峻。随着中国经济的快速发展，能源成为制约经济增长的瓶颈，节约降耗也就成为国家和企业严重关切的问题。 具有理想节能效果和调速性能的高压变频器引起政府主管部门和各高耗能企业的高度关注，变频成为首选的节能产品。级联型多电平高压变频器因其具有以低压方式解决高压电机驱动问题且易于扩展电压等级的特点，同时具有节能效果显著等优点，使其在高压电机变频调速领域得到了越来越广泛的应用。在高压变频驱动技术的发展过程中，由于受相关领域和自身技术发展等因素的限制，目前的级联型多电平逆变器均采用二极管不控整流桥，能量只能单向传递， 无法应用于需四象限运行的变负荷拖动系统中，限制了高压变频器的应用，也导致了电网电流谐波污染严重的问题。针对现有技术中存在的不足，提出本发明。
发明内容
本发明的目的是针对现有级联型多电平高压变频器所存在的问题，提出一种能量可以双向传递，可以应用于需四象限运行的变负荷拖动系统中的级联型高压变频器功率单元测控方法及装置。本发明所采用的技术方案是一种四象限级联型高压变频器功率单元测控方法， 包括控制电路、开关量检测部分、模拟量检测部分、数字化电路和IGBT驱动电路。所述控制电路采用“DSP+可编程逻辑控制器”的方式，以可编程逻辑控制器为整个装置的电路核心， DSP芯片、开关量检测部分、数字化电路、IGBT驱动电路分别与可编程逻辑控制器连接，模拟量检测部分与数字化电路连接；模拟量测量结果送入数字化电路进行转换，转换结果送入可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器对转换结果进行逻辑运算和处理，可编程逻辑控制器还可对数字化电路发出控制信号，控制模拟信号的转换时序和处理过程，同时，硬件编程语言可实现对模拟信号的多次采样，对数字信号进行软件滤波，对高压和谐波信号进行了第二次滤波，提高抗干扰能力。所述控制电路可采用“DSP+可编程逻辑控制器”的方式，数字化电路的处理结果送入逻辑处理器，逻辑处理器对转换结果进行逻辑运算，DSP根据逻辑运算的结果对变频器发出控制指令，同时，逻辑处理器还可以控制数字化处理的时序和处理过程，其中可编程逻辑控制器可选择现场可编程门阵列芯片、复杂可编程器件芯片、微控制器芯片和数字信号处理器芯片中的一种。所述开关量检测部分由光耦隔离电路和信号调理电路组成，可检测高压变频器熔断器、断路器等状态，光耦隔离电路可有效实现电平转换，隔离高压部分和低压电路，减少干扰，信号调理电路滤除谐波和毛刺，将低压信号转换为光滑稳定的信号送入可编程逻辑器件。所述模拟量检测部分主要由差分电路、整形电路、滤波电路构成，，模拟量测量结果经“差分放大一整形一滤波”后经过数字化电路处理送入可编程逻辑控制器，此种处理方式是针对高压变频器的使用环境恶劣，高温、高谐波、高噪声的情况下，提高了高压变频器的抗干扰能力，确保了模拟量测量的准确性。根据上述方法所提出的一种四象限级联型高压变频器功率单元测控装置，包括控制电路、开关量检测部分、模拟量检测部分、数字化电路和IGBT驱动电路。所述控制电路采用“DSP+可编程逻辑控制器”的方式，以可编程逻辑控制器为整个装置的电路核心，DSP芯片、开关量检测部分、数字化电路、IGBT驱动电路分别与可编程逻辑控制器连接，模拟量检测部分与数字化电路连接。所述控制电路可采用“DSP+可编程逻辑控制器”的方式，其中可编程逻辑控制器可选择现场可编程门阵列芯片、复杂可编程器件芯片、微控制器芯片和数字信号处理器芯片中的一种。所述开关量检测部分由光耦隔离电路和信号调理电路组成。所述模拟量检测部分主要由差分电路、整形电路、滤波电路构成，模拟量检测部分的检测结果经过数字化电路处理后送入可编程逻辑控制器。所述IGBT驱动电路包括电源、逻辑控制器、电路保护、光电隔离模块和功率放大电路，包括对整流和逆变两个部分IGBT的驱动。所述四象限级联型高压变频器功率单元测控装置通过光纤和高压变频器主控板通讯。所述四象限级联型高压变频器功率单元测控装置采用适合各功率单元的通用型设计。本发明的优点在于
1、变频器的控制系统采用数字信号处理器DSP控制。DSP的特点是运算速度快，其硬件本身就非常适合复杂的电动机控制和大量多阶复杂运算。2、模拟量检测结果通过数字化电路送入可编程逻辑器件的处理方式，提高了高压变频器的抗干扰能力，确保了模拟量测量的准确性。3、IGBT驱动电路除驱动IGBT之外，还可对IGBT进行过压、欠压等保护。4、本装置与高压变频器主控制器之间是通过光纤通信，光纤通讯减少远距离传输干扰，隔离高压，抗电磁干扰，提高信号传输的准确性和可靠性，使用简单方便，大大降低了系统成本。
图1是本发明所述级联型高压变频器功率单元的结构分布图。图2是本发明所述四象限级联型高压变频器功率单元测控装置的组成结构图。图3是本发明所述四象限级联型高压变频器功率单元测控装置的使用状态图。具体 实施方式下面通过附图和具体实施方式
来进一步阐述本发明。图1所示为级联型高压变频器功率单元A1-Ap B1-Bn, C1-Cn的分布结构。如图2所示，一种四象限级联型高压变频器功率单元测控装置，包括控制电路、开关量检测部分、模拟量检测部分、数字化电路和IGBT驱动电路。所述控制电路采用“DSP+ 可编程逻辑控制器”的方式，以可编程逻辑控制器为整个装置的电路核心，DSP芯片、开关量检测部分、数字化电路、IGBT驱动电路分别与可编程逻辑控制器连接，模拟量检测部分与数字化电路连接。所述控制电路可采用“DSP+可编程逻辑控制器”的方式，数字化电路的处理结果送入逻辑处理器，逻辑处理器对转换结果进行逻辑运算，DSP根据逻辑运算的结果对变频器发出控制指令，同时，逻辑处理器还可以控制数字化处理的时序和处理过程，其中可编程逻辑控制器可选择现场可编程门阵列芯片、复杂可编程器件芯片、微控制器芯片和数字信号处理器芯片中的一种。所述开关量检测部分由光耦隔离电路和信号调理电路组成，可检测高压变频器熔断器、断路器等状态，光耦隔离电路可有效实现电平转换，隔离高压部分和低压电路，减少干扰，信号调理电路滤除谐波和毛刺，将低压信号转换为光滑稳定的信号送入可编程逻辑器件。所述模拟量检测部分主要由差分电路、整形电路、滤波电路构成，，模拟量测量结果经“差分放大一整形一滤波”后经过数字化电路处理送入可编程逻辑控制器，此种处理方式是针对高压变频器的使用环境恶劣，高温、高谐波、高噪声的情况下，提高了高压变频器的抗干扰能力，确保了模拟量测量的准确性。模拟量测量结果送入数字化电路进行转换，转换结果送入可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器对转换结果进行逻辑运算和处理，可编程逻辑控制器还可对数字化电路发出控制信号，控制模拟信号的转换时序和处理过程，同时，硬件编程语言可实现对模拟信号的多次采样，对数字信号进行软件滤波，对高压和谐波信号进行了第二次滤波，提高抗干扰能力。所述IGBT驱动电路包括电源、逻辑控制器、电路保护、光电隔离模块和功率放大电路，包括对整流和逆变两个部分IGBT的驱动，当高压变频器运行在第一、三象限时，整流侧的IGBT作为整流二极管用，将输出的二次侧电压全波整流；当变频器运行在第二、四象限时，整流侧的IGBT作能量回馈之用，可将电动机侧发的电传递给移相变压器，进而传递给电网，在电网和电机之间实现了能量的双馈。所述四象限级联型高压变频器功率单元测控装置通过光纤和高压变频器主控板通讯，光纤通讯可减少远距离传输干扰，隔离高压，抗电磁干扰，提高信号传输的准确性和可靠性，使用简单方便，大大降低了系统成本。所述四象限级联型高压变频器功率单元测控装置采用适合各功率单元的通用型设计，可实现各功率单元测量装置互换，提高兼容性。实施例1
一种四象限级联型高压变频器功率单元测控装置，包括控制电路、开关量检测部分、模拟量检测部分、数字化电路和IGBT驱动电路。所述控制电路采用“DSP+FPGA”的方式，以FPGA为整个装置的电路核心，DSP芯片、开关量检测部分、数字化电路、IGBT驱动电路分别与FPGA连接，模拟量检测部分与数字化电路连接。由隔离电路和信号调理电路组成开关量检测部分，隔离电路实现开关量的高低电平转换，隔离高压部分和低压电路，信号调理电路滤除谐波和毛刺，将低压信号转换为光滑稳定的信号送入FPGA。 由差分电路完成模拟量的测量，测量结果经过整形、滤波处理之后送入数字化转换电路转换为数字信号，数字信号送入FPGA进行逻辑运算，运算结果送入数字信号处理器，数字信号处理器对模拟信号、开关量信号进行判断和分析，将各种状态信号通过串口 RS485传给工控机，工控机上的人机界面上可实时观测到功率单元的运行状态，同时，数字信号处理器也发出控制指令，控制功率单元的驱动信号。IGBT驱动电路包括电源、逻辑控制器、电路保护、光电隔离模块和功率放大电路， 包括对整流和逆变两个部分IGBT的驱动，当高压变频器运行在第一、三象限时，整流侧的 IGBT作为整流二极管用，将输出的二次侧电压全波整流；当变频器运行在第二、四象限时， 整流侧的IGBT作能量回馈之用，可将电动机侧发的电传递给移相变压器，进而传递给电网，在电网和电机之间实现了能量的双馈。该装置通过光纤和高压变频器主控板通讯。本发明的一种四象限级联型高压变频器功率单元检测装置的使用状态如图3所示，本装置的工作原理为
本装置连接功率单元和变频器主控制板，负责功率单元信息检测和控制功率单元，并负责与变频器主控制器通讯，检测部分检测到的功率单元信息经过本装置后，由本装置内的FPGA进行逻辑运算处理，并把处理结果送入变频器主控制器，主控制器根据本装置反馈的信息，对功率单元发出控制信号，控制信号经由本装置，由本装置实现对功率单元的控制，变频器主控制器与控制台的人机界面通讯，整个过程都可通过人机界面显示，维修人员可通过控制台的人机界面方便地判断系统故障，极大地降低了设备维护难度。
权利要求
1.一种四象限级联型高压变频器功率单元测控方法，其特征在于包括控制电路、开关量检测部分、模拟量检测部分、数字化电路和IGBT驱动电路；所述控制电路采用“DSP+可编程逻辑控制器”的方式，以可编程逻辑控制器为整个装置的电路核心，DSP芯片、开关量检测部分、数字化电路、IGBT驱动电路分别与可编程逻辑控制器连接，模拟量检测部分与数字化电路连接；模拟量测量结果送入数字化电路进行转换，转换结果送入可编程逻辑控制器， 可编程逻辑控制器对转换结果进行逻辑运算和处理，可编程逻辑控制器还可对数字化电路发出控制信号，控制模拟信号的转换时序和处理过程，同时，硬件编程语言可实现对模拟信号的多次采样，对数字信号进行软件滤波，对高压和谐波信号进行了第二次滤波，提高抗干扰能力。
2.如权利要求1所述的四象限级联型高压变频器功率单元测控方法，其特征在于所述控制电路可采用“DSP+可编程逻辑控制器”的方式，数字化电路的处理结果送入逻辑处理器，逻辑处理器对转换结果进行逻辑运算，DSP根据逻辑运算的结果对变频器发出控制指令，同时，逻辑处理器还可以控制数字化处理的时序和处理过程，其中可编程逻辑控制器可选择现场可编程门阵列芯片、复杂可编程器件芯片、微控制器芯片和数字信号处理器芯片中的一种。
3.如权利要求2所述的四象限级联型高压变频器功率单元测控方法，其特征在于 所述开关量检测部分由光耦隔离电路和信号调理电路组成，可检测高压变频器熔断器、断路器等状态，光耦隔离电路可有效实现电平转换，隔离高压部分和低压电路，减少干扰，信号调理电路滤除谐波和毛刺，将低压信号转换为光滑稳定的信号送入可编程逻辑器件；所述模拟量检测部分主要由差分电路、整形电路、滤波电路构成，模拟量测量结果经“差分放大一整形一滤波”后经过数字化电路处理送入可编程逻辑控制器，此种处理方式是针对高压变频器的使用环境恶劣，高温、高谐波、高噪声的情况下，提高了高压变频器的抗干扰能力，确保了模拟量测量的准确性。
4.一种四象限级联型高压变频器功率单元测控装置，其特征在于，包括控制电路、开关量检测部分、模拟量检测部分、数字化电路和IGBT驱动电路；所述控制电路采用“DSP+可编程逻辑控制器”的方式，以可编程逻辑控制器为整个装置的电路核心，DSP芯片、开关量检测部分、数字化电路、IGBT驱动电路分别与可编程逻辑控制器连接，模拟量检测部分与数字化电路连接。
5.根据权利要求4所述的一种四象限级联型高压变频器功率单元测控装置，其特征在于所述控制电路可采用“DSP+可编程逻辑控制器”的方式，其中可编程逻辑控制器可选择现场可编程门阵列芯片、复杂可编程器件芯片、微控制器芯片和数字信号处理器芯片中的一种。
6.根据权利要求4或5所述的一种四象限级联型高压变频器功率单元测控装置，其特征在于所述开关量检测部分由光耦隔离电路和信号调理电路组成。
7.根据权利要求6所述的一种四象限级联型高压变频器功率单元测控装置，其特征在于所述模拟量检测部分主要由差分电路、整形电路、滤波电路构成，模拟量检测部分的检测结果经过数字化电路处理后送入可编程逻辑控制器。
8.根据权利要求7所述的一种四象限级联型高压变频器功率单元测控装置，其特征在于所述IGBT驱动电路包括电源、逻辑控制器、电路保护、光电隔离模块和功率放大电路，包括对整流和逆变两个部分IGBT的驱动。
9.根据权利要求8所述的一种四象限级联型高压变频器功率单元测控装置，其特征在于所述四象限级联型高压变频器功率单元测控装置通过光纤和高压变频器主控板通讯。
10.根据权利要求9所述的一种四象限级联型高压变频器功率单元测控装置，其特征在于所述四象限级联型高压变频器功率单元测控装置采用适合各功率单元的通用型设计。
全文摘要
本发明公开了一种四象限级联型高压变频器功率单元测控方法及装置，其特征在于，包括控制电路、开关量检测部分、模拟量检测部分、数字化电路和IGBT驱动电路。所述控制电路采用“DSP+可编程逻辑控制器”的方式，以可编程逻辑控制器为整个装置的电路核心，DSP芯片、开关量检测部分、数字化电路、IGBT驱动电路分别与可编程逻辑控制器连接，模拟量检测部分与数字化电路连接。本发明的优点在于，采用DSP芯片使整个装置的运行速度和精度得到了很大的提升，而且有抗干扰性强、测量准确、操作简单、维护方便等特点。
文档编号H02M7/66GK102158114SQ201110091880
公开日2011年8月17日 申请日期2011年4月13日 优先权日2011年4月13日
发明者彭勃, 曹洋, 李毅鑫, 罗仁俊, 范伟, 蓝徳劭, 陈孟君, 黄超 申请人:株洲变流技术国家工程研究中心有限公司